Oportunidades de mejora de eficiencia energética en la industria del gran consumo: estudio del aprovechamiento del calor de la descarga de compresores de NH3.

1 ºEquation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Oportunidades de mejora de eficiencia energética en la industria del gran consumo: estudio del aprovechamiento del calor de la descarga de compresores de NH3. Autor: Rosalía Ramos Tejado Tutor: José Luis Molina Félix Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 2 3 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería Industrial Oportunidades de mejora de eficiencia energética en la industria del gran consumo: estudio del aprovechamiento del calor de la descarga de compresores de NH3. Autor: Rosalía Ramos Tejado Tutor: José Luis Molina Félix Catedrático de Universidad Dpto. de Ingeniería Energética Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2018 4 5 Trabajo de Fin de Máster: Oportunidades de mejora de eficiencia energética en la industria del gran consumo: estudio del aprovechamiento del calor de la descarga de compresores de NH3. Autor: Rosalía Ramos Tejado Tutor: José Luis Molina Félix El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: El Secretario del Tribunal Sevilla 2018 6 7 A todos los que nunca han dudado de mi capacidad de conseguir aquello que me proponga, aunque pudiera terminar fallando. 8 9 Agradecimientos Principalmente dar las gracias a mis padres, en especial a mi madre, por inculcarme la importancia de los estudios desde que era pequeña, y por apoyarme mental y económicamente en cada momento de mi formación como Ingeniera Industrial. También dar las gracias a mi abuela, pilar fundamental de mi vida que me ha dado fuerza y amor desde que nací, el mejor ejemplo de superación personal que puedo tener. Agradecer al departamento de Termotecnia, en primer lugar, por hacerme amar el mundo de la energía, y en segundo lugar, por apostar por mí en las dos becas de investigación que he realizado con ellos durante mis estudios, y por poder haber realizado tanto el Trabajo de Fin de Grado, como el presente Trabajo de Fin de Máster con ellos. Además, no puedo estarles más agradecida a Servando Álvarez, y a mi co-tutor del proyecto, José Sánchez, los cuáles han confiado en mi desde el momento en el que les comuniqué mi pasión por el mundo de la ingeniería energética, y que me han dado su apoyo y ayuda para cualquier dificultad que me haya podido surgir en mi formación. Gracias a docentes así, apasionados por su trabajo y por dar una educación de calidad, una aprende a amar lo que estudia. Y finalmente, no puedo dejar de agradecer a mis amigos la comprensión que han tenido durante estos 6 años, tanto por mis muchos meses en el extranjero, como por todos los momentos en los que he tenido que ausentarme por tener que centrarme en mis estudios. Gracias por convertiros en familia, por animarme siempre que me han faltado motivos, y, sobre todo, gracias por quererme. 16 4.2.2. Cálculo de la demanda semana de calor a aportar al agua extrablanda 64 5 Integración de medidas: optimización de la solución 69 5.1. Valoración de la factibilidad técnica de la propuesta inicial 69 5.2. Modificación de la propuesta inicial y método de optimización 70 5.3. Diseño geométrico de los intercambiadores: condiciones nominales de operación 74 5.3.1. Diseño geométrico del recuperador de calor sensible: intercambiador de carcasa y tubos 74 5.3.2. Diseño geométrico del recuperador de calor latente: condensador de placas 83 5.4. Integración a la solución de un depósito de acumulación de calor de condesación 86 5.5. Instrumentación necesaria para la implementación de la línea de recuperación: funcionamiento fuera de condiciones nominales 91 5.5.1. Control del caudal desviado al circuito de recuperación de calor 93 5.5.2. Control del caudal requerido por el condensador 94 5.5.3. Instalación de un separador líquido-gas de amoniaco 95 5.6. Simulación del funcionamiento del circuito con cualquier temperatura de condensación 96 5.6.1. Simulación de la línea de recuperación sin planificación de la producción 98 5.6.2. Simulación de la línea de recuperación con planificación de la producción 100 6 Viabilidad económica del proyecto 103 6.1. Tipos de inversión y cuantía de las mismas 103 6.1.1. Inversión bruta 103 6.1.2. Inversión elegible 104 6.1.3. Inversión de referencia 104 6.2. Coste subvencionable y cuantía de la ayuda a percibir 104 6.2.1. Características de las ayudas y metodología de cálculo 104 6.2.2. Determinación de los ingresos generados por el proyecto 105 6.2.3. Cálculo de la cuantía de la ayuda a percibir 106 6.3. Análisis financiero del proyecto: rentabilidad de la inversión 108 6.3.1. Flujo de caja 108 6.3.2. Valor Actual Neto 110 6.3.3. Tasa Interna de Retorno 111 6.3.4. Periodo de Retorno 111 6.3.5. Análisis de sensibilidad 112 7 Conclusiones 115 Referencias 117 Anexos 119 17 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1-1. Ratios de consumos energéticos en las fábricas de Damm en España para los años 2014 y 2015. 29 Tabla 4-1 Características técnicas de los compresores de la planta de frío de amoniaco. 55 Tabla 4-2 Propiedades térmicas de los puntos del ciclo comunes a cualquier época del año. 56 Tabla 4-3 Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de invierno. 57 Tabla 4-4 Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de verano. 57 Tabla 4-5 Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de temperaturas suaves. 57 Tabla 4-6 Propiedades térmicas del punto correspondiente a la descarga de los compresores con temperatura de evaporación de 0ºC. 58 Tabla 4-7 Propiedades térmicas del punto correspondiente a la descarga de los compresores con temperatura de evaporación de -8ºC. 58 Tabla 4-8 Caudales a la descarga de cada grupo de compresores para las tres temperaturas de condensación consideradas. 59 Tabla 4-9 Caudales a la entrada de los condensadores evaporativos para las tres temperaturas de condensación consideradas. 59 Tabla 4-10 Consumos mensuales, en m3, de agua blanda en el área de cervecería y de envasado. 61 Tabla 4-11 Demanda semanal, en GJ, de agua sobrecalentada por líneas de envasado. 64 Tabla 4-12 Consumos mensuales, en m3, de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. 65 Tabla 5-1 Diámetro de carcasa y número de tubos en función del diámetro y tipo de los tubos, su disposición y el número de pasos por los tubos. 78 Tabla 5-2. Definición de las constantes de la correlación para la obtención del número de Nusselt para convección exterior a un haz de tubos. 79 Tabla 5-3. Estimación del ahorro en ASC al implemetar la línea de recuperación de calor sin planificación de la producción. 100 Tabla 5-4. Estimación del ahorro en ASC al implemetar la línea de recuperación de calor con planificación de la producción. 100 Tabla 6-1 Precio de los equipos requeridos para la implantación del proyecto. 103 Tabla 6-2 Porcentaje a aplicar en la comunidad autónoma de Andalucía sobre le coste subvencionable del proyecto. 105 Tabla 6-3 Porcentaje de cofinanciación de los fondos FEDER 2014-2020 por Comunidades Autónomas. 107 Tabla 6-4. Variación de la TIR en función del precio del gas natural y del coste inicial de la inversión. 113 18 19 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Diagrama de bloques del principio Plan-Do-Check-Act. 26 Figura.1-2. Producción de cerveza, en hectolitros, de los principales países productores del mundo. 27 Figura 1-3. Evolución de la producción de hectolitros de cerveza en España entre los años 2006 y 2016. 28 Figura 1-4. Distribución del consumo de energía térmica en una fábrica de cerveza. 30 Figura 1-5. Distribución del consumo de energía eléctrica en una fábrica de cerveza. 30 Figura 2-1. Estadísticas de las empresas españolas que han realizado la auditoría energética. 34 Figura 2-2. Pasos en la ejecución de una correcta auditoría energética. 37 Figura 2-3. Comparación de un proyecto que cuenta o no con la participación de una ESE. 40 Figura 2-4. Evolución en el tiempo del consumo energético de una empresa antes y después del contrato con una ESE. 41 Figura 2-5. Evolución de los gastos energéticos de una empresa antes y después de incurrir en un proyecto de eficiencia energética financiándolo mediante Renting. 42 Figura 3-1. Esquema del proceso de producción de la cerveza. 43 Figura 3-2. Esquema de la instalación de frío de amoniaco de la fábrica. 44 Figura 3-3. Esquema de la zona de condensadores evaporativos, acumulación de NH3 y economizador de la planta de frío. 45 Figura 3-4. Esquema de la zona de evaporación a 0◦C de la planta de frío. 45 Figura 3-5. Esquema de la zona de evaporación a -8◦C de la planta de frío. 46 Figura 3-6. Esquema de uno de los compresores de NH3 procedente de la evaporación a -8◦C de la planta de frío. 46 Figura 3-7. Esquema de uno de los compresores de NH3 procedente de la evaporación a 0◦C de la planta de frío. 47 Figura 3-8. Esquema de la zona de evaporación frente al agua producto y suministro de la misma a consumidores. 47 Figura 3-9. Diagrama de bloques de la zona de evaporación frente al agua producto. 48 Figura 3-10. Esquema de la zona de evaporación frente al agua alcohólica y suministro de la misma a consumidores: tanque de estratificación. 48 Figura 3-11. Diagrama de bloques de la zona de evaporación frente al agua alcohólica. 49 Figura 3-12. Ejemplo de tanques de envasado limpiados con agua blanda calentada gracias a la recuperación de calor latente del circuito de frío. 50 Figura 3-13. Generador de vapor a alimentar con el agua extrablanda caliente procedente de la recuperación de calor sensible del circuito de frío. 51 Figura 3-14. Esquema de la solución propuesta para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. 51 Figura 3-15. Diagrama de bloques del procedimiento a seguir para la resolución del proyecto. 53 Figura 4-1. Ciclo termodinámico (diagrama p-h) seguido por el amoniaco en la planta de frío. 56 Figura 4-2. Evolución semanal de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua blanda en envasado. 62 20 Figura 4-3. Curva de carga ordenada de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua blanda en envasado. 62 Figura 4-4. Evolución semanal de la energía necesaria, en GJ, para cubrir la demanda de agua blanda en envasado. 63 Figura 4-5. Evolución semanal de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. 66 Figura 4-6. Curva de carga ordenada de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. 66 Figura 4-7. Evolución semanal de la energía necesaria, en GJ, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. 67 Figura 5-1. Esquema de la solución propuesta para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. 69 Figura 5-2. Esquema de la solución propuesta corregida para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. 71 Figura 5-3. Dependencia de los costes operacionales (gas natural) y de los costes de capital (condensador) respecto a la carga nominal del intercambiador. 73 Figura 5-4. Esquema del recuperador de calor sensible en condiciones nominales. 74 Figura 5-5. Gráfico para la obtención del factor corrector de la DTLM a partir de la distribución de temperaturas. 75 Figura 5-6. Abaco de Moody para el cálculo del coeficiente de fricción. 77 Figura 5-7. Diseño en AutoCAD de un intercambiador de carcasa y tubos similar a la solución obtenida. 82 Figura 5-8. Esquema del condensador para la recuperación de calor latente en condiciones nominales. 83 Figura 5-9. Definición de variables en el Software para el diseño geométrico del intercambiador. 83 Figura 5-10. Lista de resultados técnicos ofrecidos por el programa para el intercambiador de placas propuesto como solución. 84 Figura 5-11. Esquema de las características geométricas del intercambiador de placas a emplear como condensador en el proyecto. 86 Figura 5-12. Esquema propuesto para el circuito de conexión entre el condensador para la recuperación de calor latente y el tanque de acumulación de agua blanda. 87 Figura 5-13. Evolución de la densidad del agua a 3atm en función de la temperatura: aproximación mediante recta de regresión. 89 Figura 5-14. Evolución de la energía acumulada o extraída semanalmente en el tanque de acumulación de agua blanda. 89 Figura 5-15. Evolución del volumen acumulado de agua en el tanque de agua blanda. 90 Figura 5-16. Evolución de la temperatura del agua en el interior del tanque de acumulación de agua blanda. 91 Figura 5-17. Esquema de la instrumentación a instalar en el circuito de recuperación de calor de la descarga de los compresores de amoniaco. 92 Figura 5-18. Esquema de la instrumentación a instalar para el correcto funcionamiento del recuperador de calor sensible. 93 Figura 5-19. Esquema de la instrumentación a instalar para el correcto funcionamiento del condensador para la recuperación de calor latente. 94 Figura 5-20. Esquema de la instrumentación a instalar para el correcto funcionamiento del separador líquidogas de amoniaco. 95 21 Figura 5-21. Tendencia anual del consumo de agua extrablanda del generador de vapor de la línea de barriles. 96 Figura 5-22. Evolución del volumen de cerveza, en hl, envasada en la línea de barriles. 96 Figura 5-23. Evolución del caudal necesario de agua extrablanda semanal para que el recuperador trabaje a plena carga. 97 Figura 5-24. Variación de las temperaturas de suministro del agua y de la temperatura del aire ambiente durante el año 2016. 98 Figura 5-25. Potencia nominal de recuperador de calor sensible y del condensador, y comparación con su valor nominal de funcionamiento. 98 Figura 5-26. Energía sensible recuperada frente a la demanda total de calor para el agua extrablanda. 99 Figura 5-27. Energía latente recuperada frente a la demanda total de calor para el agua blanda. 99 Figura 5-28. Energía latente recuperada frente a la demanda total de calor para el agua blanda con la planificación de la producción. 100 Figura 5-29. Simulación de la evolución de la energía demandada mediante ASC. 101 Figura 5-30. Instrumentación necesaria para el correcto funcionamiento del tanque de acumulación. 102 Figura 6-1. Reparto de los costes del proyecto de recuperación de calor. 104 Figura 6-2. Flujo de caja neto durante la vida útil del proyecto. 111 Figura 6-3. Representación del flujo de caja acumulado para el cálculo del periodo de retorno 112 de la inversión. Figura 6-4. Evolución del precio del gas natural entre 2008 y 2017 en España. 113 22 23 Notación A Área PID Controlador Proporcional-Integral-Derivativo 𝑁𝐻3 Amoniaco R717 Amoniaco 𝑄𝑐 Potencia de condensación 𝑄𝑒 Potencia de evaporación 𝑊𝑐 󰇗 Potencia de compresión h Entalpía 𝑚󰇗 Caudal másico 𝑄𝑠𝑒𝑛𝑠 Calor sensible 𝑄𝑙𝑎𝑡 Calor latente 𝐸𝑠𝑒𝑛𝑠 Energía sensible 𝐸𝑙𝑎𝑡 Energía latente 𝑃𝑛𝑜𝑚 Potencia nominal ρ Densidad V Volumen 𝐶𝑃 Calor específico ΔT Incremento de temperatura ASC 𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 Agua sobrecalentada Potencia en el condensador 𝑄𝑟𝑒𝑐 Potencia en el recuperador de calor sensible DTLM Diferencia logarítmica media de temperaturas F Factor corrector de la DTLM U Coeficiente de transferencia global D Diámetro 𝑁𝑡 Número de tubos L Longitud 24 25 1 INTRODUCCIÓN: DESARROLLO DE UNA CORRECTA POLÍTICA ENERGÉTICA EN LA INDUSTRIA DEL GRAN CONSUMO La reducción de costes en la industria del gran consumo se ha convertido en las últimas décadas en uno de los requisitos clave para la supervivencia en el mercado, siendo clave los ahorros en clave energética y en utilities. Un enfoque muy específico y concreto en la gestión energética no es efectivo, sino que debe de buscarse un enfoque consistente y sistemático que comience con el desarrollo de una política energética. 1.1. Aspectos iniciales La política energética en una industria del gran consumo consta de dos partes principales: la implementación de técnicas de gestión y la mejora de procesos. Para comenzar con su desarrollo, deben de tenerse en cuenta en primer lugar una serie de componentes principales y aspectos para su óptima implementación: 1. Firme convencimiento de la directiva: un objetivo claro y visible desde lo más alto de la dirección es fundamental para demostrar que el conseguimiento de una mejora en la eficiencia energética de la empresa es una tarea de todos y que merece la pena apoyar. 2. Programa de objetivos claramente definidos: se necesitan objetivos medibles, desafiantes y realísticamente alcanzables, comunicados a todos los interesados de una forma fácil de comprender. 3. Definición de responsabilidades y estructura organizacional: se debe de elegir a un ‘Energy Champion’, es decir, a una persona de la directiva caracterizada por ser un buen organizador, comunicador y resolutivo. Una vez elegido, esta figura creará su ‘Energy Management Team’ (EMT), tomando toda responsabilidad sobre la implementación y el éxito de las medidas. El EMT debe incluir a los mayores conocedores de los aspectos energéticos de todos los departamentos de la fábrica. 4. Provisión eficiente de recursos en términos de personal y presupuesto: la efectividad de cualquier programa de políticas energéticas depende fuertemente del tiempo y esfuerzo requerido para su implementación. 5. Procedimientos para el seguimiento de las medidas adoptadas: es importante asegurar la comunicación entre el personal no solo mediante reuniones periódicas, sino también con información visual en forma de gráficos, pictogramas…repartidos por la empresa. 6. Revisión regular del progreso conseguido: como en cualquier proyecto, el progreso en su realización debe ser monitorizado, los resultados medidos y comparados con los objetivos, y todo ello finalmente comunicado en las reuniones de la directiva. Este control asegurará que el proyecto permanezca visible y consiga la atención necesaria para seguir siendo una prioridad. 1.2. Definición de un correcto sistema de gestión energética: integración de sistemas para un objetivo común. Poco después de la segunda guerra mundial, el estadístico estadounidense Edward Deming formuló un principio que actualmente sigue siendo la base de cualquier sistema de gestión que implique una mejora continua, esto es, el principio Plan-Do-Check-Act: 32 33 2 IDENTIFICACIÓN DE OPORTUNIDADES DE MEJORA DE EFICIENCIA ENERGÉTICA 2.1. La eficiencia energética en el sector industrial La eficiencia energética se define como la relación entre el total de la energía consumida por una empresa y los productos/servicios que se obtienen a partir del uso de esta energía, la cual puede ser mejorada a través de medidas e inversiones tecnológicas, de gestión y con unos mejores hábitos de consumo. La relevancia de la eficiencia energética puede verse reflejada mediante la estadística de que en España más del 30% de la energía consumida tiene su origen en el sector industrial, no solo con los consecuentes gastos para las empresas, con precios de electricidad, agua o gas en constante aumento, sino también por las emisiones que conlleva la producción de esta energía, cada vez más y más controladas por normativas europeas castigadas con altas multas para aquellas empresas que traten de evitar su cumplimiento. El sector industrial es la causante de casi el 34% de las emisiones de gases de efecto invernadero, por lo que sobre él debe caer una gran responsabilidad de mejorar la eficiencia energética con el objetivo de garantizar una mayor protección del medio ambiente. Mediante el Protocolo de Kyoto, firmado en diciembre de 1997 en la ciudad japonesa, los países mas desarrollados o con un mayor índice de estar en vías de desarrollo, se comprometían a reducir sus emisiones de gases invernadero entre el 2008 y el 2012 en función de sus diversas variables económicas y medioambientales. Tras ello, la Comisión Europea publicó en enero de 2007 un documento llamado “Una Política energética para Europa”, en el que se finalizaba el establecimiento de las bases comunes y comenzaba la consecución práctica de los objetivos de eficiencia energética marcados, siendo uno de los aspectos más destacables de este nuevo acuerdo el Compromiso de los “Cinco Veintes” por el cual para el 2020 la UE debería de conseguir: - Reducción del 20% de las emisiones de gases de efecto invernadero sobre las cantidades de 1990. - Reducción del 20% en el consumo energético también respecto a 1990, promoviendo una mayor eficiencia energética en la industria. - Obtención de un 20% de la energía primaria mediante fuentes renovables. España, la cual se comprometió en el protocolo de Kyoto a limitar el incremento de sus emisiones a un 15% para esta fecha con respecto a 1990, sin embargo, es el país de la UE que menores posibilidades tiene de cumplir las condiciones de este pacto, con un aumento del 24.2% de sus emisiones en 2015 respecto al año base. Así, con el objetivo principal de revertir esta situación, surgió el Real Decreto 56/2016 del 12 de febrero de dicho año, que entre otras muchas medidas, obligaba a las grandes empresas a realizar una auditoría energética para revisar su comportamiento en consumos energéticos y a registrarla antes del 14 de febrero de 2017. Tras ello, estas grandes empresas, con más de 250 empleados o con más de 50 millones de euros de volumen de negocio, y con un balance general de más de 43 millones de euros, son obligadas a repetir estas auditorias cada 4 años como mínimo, las cuales deben cubrir al menos el 85% del consumo total de todas las instalaciones. Además, deben ser realizadas por expertos cualificados para esta tarea y deben de basarse en datos actualizados, medidos y verificables de consumos energéticos, implicando un examen pormenorizado del estado de las instalaciones. Por ello, a parte de por razones legislativas, para las industrias es beneficioso realizar auditorias energéticas con el objetivo de mejorar la eficiencia energética por los siguientes motivos: - Reducción de los gastos energéticos directos, presentando mucha de las inversiones en mejora de eficiencia energética un periodo de retorno de la inversión breve. 34 - Debido a la continua fluctuación de los precios de la energía, se garantizaría un menor número de riesgos obteniendo una rentabilidad sostenida en las operaciones. - Mejorar la imagen publica de la empresa, siendo el desarrollo sostenible un factor casi tan importante como puede serlo la calidad y las marcas, para que clientes y accionistas se sientan atraídos por la compañía. - Beneficio de reducción de impuestos y exenciones fiscales. - Producción garantizada al disponer de una energía de calidad, fiable y siempre disponible. Por tanto, podría decirse que los planes de mejora de eficiencia energética y el uso de instalaciones eficientes esta pasando de ser una opción a una obligación para la supervivencia de las empresas. A continuación, se muestra una estadística del comportamiento de las empresas españolas con respecto al cumplimiento del Real Decreto 56/2016: Figura 2-1. Estadísticas de las empresas españolas que han realizado la auditoría energética. De la imagen se puede concluir en que todavía un 23% de las empresas no habían realizado después de un año de la implantación del Decreto la primera auditoría obligatoria, coincidiendo con la fecha límite para su realización y registro. Del 77% que sí la han realizado, un 28% de las empresas habían decidido que fuera el personal interno quien realizara esta auditoría, frente al 72% que había contado con empresas especializadas y certificadas para verificar el buen comportamiento energético del negocio. Por tanto, las 3 opciones que tiene una empresa a la hora de enfrentarse a esta normativa son las siguientes: 1. No realizar las auditorias energéticas periódicas, arriesgándose a ser multada por aquellos organismos que verifican el cumplimiento de su realización. A ello se suma la posible perdida de competitividad, perdiendo la posibilidad de un posible ahorro en costes energéticos. 2. Realizar las auditorias de forma periódica, cada 4 años, que cubran al menos el 85% de la energía consumida por sus instalaciones. Conlleva una inversión en tiempo y recursos económicos para la empresa, aunque abren la puerta a posibles ahorros que compensen en poco tiempo esta inversión. En las industrias, estas revisiones periódicas tienen tres objetivos principales: - Equilibrar los consumos reales a los nominales, asegurando así que se realiza un mantenimiento adecuado de las instalaciones de la planta. - Sustitución de los equipos por otros de tecnología mas reciente que garanticen una adecuada eficiencia energética, disminuyendo los consumos de energía nominal. - Detectar las posibles deficiencias en los procesos industriales, para poder reducir al máximo las necesidades energéticas para realizarlos. 3. Implantar un sistema de eficiencia energética, con constante medición de los KPI’s de las instalaciones mediante la instalación de sensores en la empresa, ofreciendo a tiempo real datos de producción y consumos. 35 2.1.1. La prediagnosis energética Se trata de una fase precedente a la auditoría energética que cuenta con la propia participación de la empresa que la demanda, la cual debe facilitar la máxima información posible acerca de los consumos energéticos, con sus respectivas facturas, y los datos de los equipos que consumen dicha energía. Esta información debe contener necesariamente: 1. Datos que identifiquen la actividad desarrollada por la empresa, pudiendo posicionarla en su entorno energético empresarial. 2. Consumo energético de las instalaciones: • Incidencia económica del consumo energético, es decir, % sobre el coste total que se invierte en suplir la demanda de energía. • Consumo específico: unidades de energía empleada en producir una unidad de producto. • Coste unitario de la energía empleada: gastos energéticos en producir una unidad de producto. 3. Antecedentes energéticos en la empresa: realización previa de Estudios Energéticos, Mediciones Energéticas y si se dispone de Contabilidad Energética Analítica. Tras analizar toda esta información inicial, el especialista emitirá un informe en el que se incluirán: - Estimación del ahorro y potencial de las posibles medidas de mejora de eficiencia energética encontradas, con las respectivas inversiones necesarias. - Confrontación de la estadística energética con otras empresas de su sector. - Necesidad especial de I+D+i energética. Y, sobre todo, será la herramienta más útil para que la empresa valore la necesidad real que tiene de invertir recursos humanos y económicos en una futura auditoría energética. 2.2. La auditoría energética Una posible y sencilla definición de auditoría energética es describirla como el establecimiento de la base sobre la cuál se medirán las futuras mejoras de eficiencia energética. Por tanto, su objetivo es por un lado establecer y evaluar el consumo energético en una gran industria, y a su vez identificar oportunidades de mejoras de eficiencia energética y ahorro de consumo. Para poder explotar al máximo los beneficios de una auditoría energética, esta debe reflejar de manera cuantificable: • La evaluación de la eficiencia energética de todos los sistemas consumidores de energía, procesos y equipos (incluyendo la evaluación del suministro y de la calidad del aislamiento del edificio). • Las ineficiencias del proceso de gestión que conllevan un impacto negativo en el consumo de energía. Existen tres tipos de auditoría energética: 1. Auditoría básica: es aquella que bsuca detectar las principales ineficiencias en consumos energéticos y que obtiene las soluciones que más pueden interesar a la empresa en términos de potencial de ahorro. 2. Auditoría de seguimiento: es utilizada para cuantificar el rendimiento de las medidas adoptadas para la mejora de la eficiencia energética, con la consecuente recogida de datos acerce de las principales características de funcionamiento. Una auditoria energética es una actividad compleja que puede llevar de una a tres semanas, pudiendo destacar como fases de crítica importancia en su correcto desarrollo las siguientes: 36 • Determinación de la base de análisis En las industrias del gran consumo es muy importante determinar una base estacionaria sobre la cuál poder comparar los efectos de las acciones tomadas, debido a la gran dependencia de la producción a la época del año en la que nos encontremos. Por tanto, será fundamental establecer los objetivos de consumos, presupuestos, costes de capital…por unidad producida. Una buena estrategia sería tomar como base la eficiencia nominal de producción, definida como la tasa media de producción dividida por la máxima capacidad de la planta. La fábrica trabajará a menor ritmo el resto del año, siendo útil relacionar el consumo energético a esta base para saber cuánto se aleja de la situación idónea de trabajo. • Búsqueda de información Para sacar el máximo partido a una auditoría es fundamental reunir toda la información existente para identificar y así poder centrar los esfuerzos en los mayores consumidores finales de energía de la empresa: estadísticas de los costes de electricidad de los últimos años, compra de materias primas, proveedores, productividad, mermas….Toda esta información será clave a la hora de realizar los balances energéticos y de material en pasos futuros, y cuanto mayor sea esta más precisos serán los resultados. Tambien es de esencial importancia el observar como se realiza el trabajo, así como obtener información directa de los empleados. Obtener información de diferentes fuentes puede evitar errores y asegurar la veracidad de esta antes de avanzar a pasos futuros de la auditoria. • Balances energéticos y de material En el trascurso de cualquier auditoria energética es esencial el desarrollo de los balances energéticos y de material para el establecimiento de las entradas y salidas de energía de cualquier proceso, incluyendo también las corrientes de desecho. Estos balances permiten utilizar toda la información reunida sobre los consumos como un medio para verificar la precisión y apoyar las futuras acciones tomadas tras la auditoria. Los balances pueden estar referidos a potencia, gas natural, vapor, condensados, agua, materias primas….Además, pueden ir referidos a la totalidad de la fábrica o a una sección según interese (principalmente determinado por si incluye alguna máquina cuya evaluación específica sea de interés), y deben ser acompañados de diagramas de flujo para una mayor compresión. • Comprensión de los resultados de la auditoria Este paso podría verse como externo a la auditoria, pero sin él nada del trabajo realizado anteriormente tendría utilidad. En primer lugar, debe comunicarse verbalmente entre todos los interesados las principales observaciones recogidas durante el trabajo. Tras ello, y una vez que los cálculos y las conclusiones han sido verificadas, redactar el informe de la auditoria, donde debe recogerse: - Información general: descripción del objetivo(s) de la auditoria; localización y fecha, así como duración; capital humano y recursos empleados; condiciones operativas durante la auditoria; observaciones generales; posibles dificultades encontradas en la obtención de datos y cálculos; precisión de la información empleada; advertencias. - Datos de consumos energéticos, cálculos empleados y balances. - Conclusiones. - Recomendaciones. De forma gráfica, estos pasos pueden representarse mediante el siguiente esquema: 37 Figura 2-2. Pasos en la ejecución de una correcta auditoría energética. Es importante tener en mente que, aunque realizada y referida a un periodo concreto de tiempo, los resultados de la auditoria pueden ser extrapolados con relativa precisión a otras condiciones operativas. Tras seguir todos los pasos, se obtienen los dos principales motivos por los que se realiza cualquier auditoria energética: • Establecimiento de un sistema de gestión energético de la gran industria, y de un programa de objetivos. • Identificación de las oportunidades de mejora de la eficiencia energética que surgen de la auditoria para poder ser abordadas por el nuevo sistema de gestión. Los beneficios de la realización de la auditoria son múltiples, no solo para la empresa en sí, sino también para la sociedad: - Concienciación real de la importancia del gasto energético, muchas veces asumido como un coste fijo a asumir por la empresa sin valorar ni su repercusión ni la posibilidad de ser optimizado. - Conocimiento más profundo de la distribución de los sistemas energéticos dentro de la empresa. - Mejora de la eficiencia energética, con su consecuente repercusión en la competitividad y posición de la empresa. - Imagen publica de la empresa mejorada al dar una mayor impresión de sostenibilidad y preocupación por el medio ambiente. - Facilitar el cumplimiento de las normativas medioambientales. 2.3. Energy Management Opportunities (EMO’s) 2.3.1. Concepto de Energy Management Opportunity. Clasificación. Una vez finalizada la auditoria energética, el equipo de gestión energética debe desarrollar el plan de acción para conseguir los objetivos propuestos, conocidos en inglés como Energy Management Opportunities (EMO’s). Estas oportunidades de mejora pueden clasificarse económicamente según modo en tres categorías: 1. Mantenimiento: son acciones repetidas regularmente y nunca menos de una vez por año. 2. De bajo coste: acción que se realiza solo una vez, pero cuyo coste no es considerado de gran repercusión para la empresa. 3. Retrofit: acción única cuyo coste implica una inversión importante para la empresa. 38 Otra forma de clasificar las EMO’s es mediante las acciones a abordar para su conseguimiento: • Cambios organizativos: conlleva cambios en la planificación de la producción, de forma que permita una utilización más racional de la energía mediante una tasa de producción lo más estable posible. • Cambios en los procesos: referido a modificaciones en la maquinaria y tecnología empleada para reducir el consumo energético. Es la categoría más compleja y que requiere una mayor inversión de capital, ya que las mejoras incluyen cambios en la capacidad, calidad del producto, control del proceso…. • Eficiencia de las calderas y potencial de la posible modificación del combustible empleado: engloba mejoras en los quemadores, control y monitorización de la composición del gas, diseño de la caldera y aislamiento de la misma. No puede olvidarse que la posible modificación del combustible empleado depende de su disponibilidad en el mercado y a su coste esperando a largo plazo. • Gestión de la potencia eléctrica: reducción del consumo eléctrico mediante la gestión de la demanda pico y del factor de potencia, así como posible empleo de la cogeneración. • Recuperación de calor: es un campo ampliamente dependiente de la situación concreta de cada instalación, incluyendo varios sistemas de energía. Conlleva la reutilización de corrientes de pérdidas de calor mediante su integración en otros procesos, así como la prevención de pérdidas de calor en todas sus formas. 2.3.2. Elección y priorización de proyectos de mejora de eficiencia energética Podría creerse que el mejor proyecto, y en consecuencia el primero que debe llevarse acabo, es aquel que ofrezca una mayor rentabilidad de la inversión (ROI, Return on Investment). Sin embargo, en un proyecto de ingeniería existen más variables de decisión de aspecto técnico más allá de las puramente económicas. - Factibilidad técnica: información de proveedores, experiencias de terceros en proyectos similares, ayuda de consultores, riesgos en el comportamiento de la instalación… - Posible sinergia: posibilidad de integrar el proyecto con otros ya existentes para maximizar los beneficios. Para ello se debe de tratar cuantificar la conveniencia de esta interacción y compararlo con el escenario en el que ambos proyectos concurrieran por separado. - Riesgos del proyecto: financieros, organizativos, externos, regulatorios, legales y operacionales; es decir, toda amenaza que interfiera en la capacidad de la industria a conseguir sus objetivos y ejecutar correctamente sus estrategias. Para ello se debe de tomar una actitud pro-activa que anticipe y responda eficazmente a cualquier tipo de riesgo. - Prioridades ya existentes: se debe considerar el plan de negocio, los objetivos prioritarios de la empresa y la situación financiera. - Rentabilidad del proyecto: - Contabilizar el costo de capital total del proyecto: precio del equipamiento, instalación, certificación…. - Estimar el ahorro anual acumulado del posible proyecto, en términos de potencia, agua, gas natural, mantenimiento, capital humano…. - Calcular el periodo de recuperación de la inversión realizada. 2.4. Financiación de proyectos de eficiencia energética Como cabe esperar, tanto la realización de la auditoría energética como, sobre todo, la implantación de proyectos de eficiencia energética supone un fuerte desembolso económico para las empresas, aunque precisamente estas inversiones se realizan con el objetivo de recuperar los costes del proyecto en un pequeño payback period con los ahorros derivados de un menor consumo energético. Para afrontar el desembolso, las empresas pueden elegir entre tres principales vías para la obtención de financiación, las cuales se analizarán en profundidad a continuación. 39 2.4.1. Autofinanciación Se trata de la solución más sencilla en tiempo y recursos empleados, puesto que es la propia empresa la que directamente aporta la cantidad necesaria para afrontar la invesión, siempre que esta cuente con la liquidez necesaria para ello. Es la vía más usual en pequeñas implantaciones, por lo que principalmente es utilizada en proyectos de eficiencia energética llevados a cabo por el propio usuario y consumidor de la instalación. 2.4.2. Financiación en balance Se trata de la principal vía de financiación para las empresas de mediano y grande tamaño, en la que éstas se endeudan para llevar a cabo el proyecto, quedando reflejada esta deuda en su balance de cuentas, con nuevos activos y pasivos adquiridos por la empresa. Las principales opciones para este tipo de financiación son: • Productos bancarios: préstamos, créditos, leasing… Algunos bancos ofrecen préstamos especiales para empresas que decidan llevar a cabo actuaciones de mejora de eficiencia energética, con diferentes facilidades como pueden ser unos tipos de interés reducidos, cero comisiones de amortización o cancelación anticipada, o amplios plazos de amortización para la obtención de cuotas más cómodas y asequibles. Este tipo de ayudas suelen ir destinadas tanto a la modificación de la estructura del edificio como a la optimización de los sistemas energéticos, cooperando con el cuidado del medio ambiente, y en algunos casos se engloban en Planes de Actuación de algunas CCAA para fomentar la eficiencia energética en la industria. • Ayudas y subvenciones Otra forma de financiación es mediante ayudas directas del gobierno o de las comunidades autónomas si el proyecto se ajusta a las especificaciones de los programas de subvenciones. Un ejemplo son las Líneas ICO para empresas y emprendedores, destinadas a la rehabilitación de edificios y a todas aquellas obras que supongan una mejora en los consumos energéticos (renovación del sistema eléctrico, aislamiento en ventanas y tuberías, reparación de deterioros…), siendo préstamos sin ningún tipo de comisión y cuyos tipos de interés dependen de la cuantía de la ayuda solicitada y del plazo de amortización. Con estos planes se puede financiar hasta el 100% del coste del proyecto, IVA incluido, y pudiendo también incluir todos aquellos costes en técnicos especialistas ajustando los justificantes de pago. Para proyectos de gran envergadura, se deberán incluir en la solicitud toda la documentación que justifique las obras a realizar, es decir, licencias, proyecto de obras, autorizaciones…. Una de las vías de financiación más populares en España para el acometimiento de proyectos de eficiencia energética es mediante los fondos FEDER (Fondo Europeo de Desarrollo Regional), con ayudas a proyectos que consigan reducir el consumo de energía final y la cantidad de emisiones de 𝐶𝑂2, bien mediante la mejora de eficiencia energética del edificio o de las instalaciones, o por la sustitución de las fuentes de energía convencionales por otras renovables. Las actuaciones llevadas a cabo deben mejorar la calificación energética total del edificio en al menos una letra, otorgando ayudas adicionales a aquellas medidas que alcancen clases energéticas “A” o “B”, o que incrementen en 2 letras la calificación inicial. El importe subvencionado se dividirá en un % correspondiente a una ayuda dineraria sin contraprestación, complementada con un préstamo reembolsable con condiciones atractivas de financiación. La ayuda sin contraprestación se compone de la suma de la Ayuda Base, siendo del 20% o del 30% de la cuantía total dependiendo de la tipología del proyecto, más la Ayuda Adicional, la cuál se adicionará a la base si como se ha comentado anteriormente se incrementa la calificación energética más del mínimo exigido, o bien la actuación se realiza en un edificio bajo algún régimen de protección pública o se combinan simultáneamente dos o más tipologías de actuación. El préstamo reembolsable, por su lado, tendrá un tipo de interés del Euribor + 0%, un plazo máximo de amortización de los préstamos de 12 años y contará como garantías con un aval bancario, un contrato de seguros de caución o un depósito en efectivo a favor del SEGÚN del 20% de la cantidad total del préstamo. 40 • Contratos EPC/ESC con financiación bancaria Tanto el contrato EPC (Contrato de Rendimiento Energético), como el ESC (Contrato de Suministro Energético), consisten en acuerdos con una ESE (Empresa de Servicios Energéticos) que proporciona servicios energéticos o mejora la eficiencia energética, obteniendo sus beneficios por este suministro de energía y por el cumplimiento de los requisitos de mejora de eficiencia y de rendimiento acordados. La ESE afronta un riesgo al tener que compensar el déficit de ahorros al cliente si no se alcanzan los ahorros prometidos: como se puede observar en la Figura, en el modelo tradicional si no se obtienen los resultados que el cliente espera es difícil identificar al ‘culpable’ al tener que encargarse él mismo directamente de todos los stakeholders; sin embargo, si en el proyecto entra en juego la ESE, el cliente podrá culpar directamente a la empresa de no obtener los resultados firmados, obteniendo en ese caso una compensación económica. Figura 2-3. Comparación de un proyecto que cuenta o no con la participación de una ESE. Mediante el ESC, el cliente contrata con la ESE el suministro de energía a largo plazo pudiendo obtener dicha energía a un precio menor del que tendría que pagar a la suministradora habitual. Para poder obtener beneficios, la ESE instala equipos de generación de mayor eficiencia, por ejemplo, renovando las instalaciones con la última tecnología, que usen combustibles más baratos (cambio de gasoil a gas natural) o que usen fuentes renovables de energía (acoplamiento con una instalación solar térmica). Por otra parte, se encuentran los contratos EPC, en los que la ESE no solo se compromete a suministrar energía al cliente como en los contratos ESC, si no que además implanta medidas de ahorro y eficiencia energética para conseguir el servicio energético especificado por el cliente. Por ello, la ESE además de tener el incentivo de la eficiencia de las instalaciones donde se genera la energía, con los contratos EPC obtiene un incentivo extra por la eficiencia global de las instalaciones. En la siguiente figura puede observarse la diferencia en consumos que se presentaría en una empresa antes y después de contar con una ESE para el suministro de energía, ya sea mediante un contrato simplemente ESE o con un contrato EPC, beneficiándose del ahorro en consumo final de energía. 41 Figura 2-4. Evolución en el tiempo del consumo energético de una empresa antes y después del contrato con una ESE. Por tanto, en el caso que nos concierne, la empresa solicita una financiación bancaria para poder pagar a esta Empresa de Servicios Energéticos, contando con la seguridad de que si no se alcanzan los objetivos previstos no tendrá que hacer frente a ningún gasto extra a lo estipulado en el contrato. • Crowdfunding El crowdfunfing consiste en la financiación colectiva de un proyecto, utilizando una plataforma online para publicitar el mismo y conseguir inversores. Existen cuatro principales modalidades de este tipo de financiación: 1. Crowdfunding basado en donaciones: el inversor realiza una donación sin recibir ningún beneficio económico en retorno. Suelen tratarse de proyectos solidarios con un gran impacto social. 2. Crowdfunding basado en recompensas: modelo de financiación más utilizado y conocido, aportando dinero a un cierto proyecto y recibiendo a cambio una recompensa, función de la cantidad de dinero aportada por el inversor. 3. Crowdfunding para préstamos o Crowdlending: el inversor realiza una aportación económica para un cierto proyecto y recibe una compensación en forma de intereses. Así, la empresa solicita un préstamo con la plataforma de Crowdlending, y ésta recupera el dinero invertido más una cierta cantidad de intereses según las condiciones del contrato firmado. 4. Crowdfunding basado en participaciones o Equity Crowdfunding: el inversor aporta una cierta cantidad de dinero al proyecto convirtiéndose a cambio en accionista, comprando una parte del capital de la empresa. No se tiene garantía de recuperar el dinero invertido, pero si el proyecto termina siendo exitoso podrá recuperar varias veces la cantidad invertida. 2.4.3. Financiación fuera de balance La principal ventaja de este tipo de financiación es que un tercero aporta los recursos económicos necesarios para poder llevar a cabo el proyecto, a cambio generalmente de una limitación en los derechos sobre los activos hasta la fecha estipulada en el acuerdo firmado, aunque podrá disfrutar de ellos a cambio de un pago periódico. 48 En diagrama de bloques se podría representar simplificadamente de la siguiente manera: Figura 3-9. Diagrama de bloques de la zona de evaporación frente al agua producto. Con respecto a los evaporadores de agua alcohólica, estos pueden alimentar tanto a un tanque estratificado, como hacer que el refrigerante vaya directamente hacia los consumidores. Además, el tanque puede ser alimentado por agua alcohólica a mayor temperatura de otras zonas de la fábrica, teniendo que vencer en los evaporadores también este calor. Figura 3-10. Esquema de la zona de evaporación frente al agua alcohólica y suministro de la misma a consumidores: tanque de estratificación. 49 Igualmente, en diagrama de bloques puede representarse el proceso de la siguiente manera: Figura 3-11. Diagrama de bloques de la zona de evaporación frente al agua alcohólica. 3.2. Identificación de las oportunidades de mejora: recuperación de calor del ciclo de NH3. Una vez presentada la situación de partida, se plantearon 2 posibles caminos para la mejora de la eficiencia energética del actual ciclo de frío, las cuales surgieron al observar el alto consumo eléctrico en los condensadores evaporativos para reducir la temperatura del amoniaco hasta la condensación mediante los ventiladores. Así, la propuesta es utilizar dicho calor de la descarga de los compresores de amoniaco en zonas de la fábrica donde actualmente se está empleando agua sobrecalentada para incrementar la temperatura de los fluidos que así lo requieran, con el consecuente gasto de gas natural para su producción en las calderas; y además, en la medida que sea posible, aprovechar el calor de condensación del amoniaco en algún fluido con un nivel térmico bajo, ya que esta temperatura de condensación estará marcada por la temperatura del aire ambiente al seguir condensando la mayor parte del caudal de amoniaco con los condensadores evaporativos. Por tanto, el objetivo de este proyecto será plantear la viabilidad técnica y económica de la instalación de un sistema de recuperación de calor, con el doble objetivo de reducir el consumo de gas natural y el consumo eléctrico de los ventiladores de los condensadores. El proyecto tendrá dos vertientes de trabajo: 1. Sistema de recuperación de la energía disponible en el proceso de condensación del refrigerante R717 en unidades frigoríficas y su entrega al circuito presente en la fábrica de agua Blanda. 2. Sistema de recuperación de la energía disponible en el gas de descarga del refrigerante R717 en unidades frigoríficas y su entrega al circuito presente en la fábrica de agua extra blanda. 3.2.1. Recuperación del calor latente de la descarga de los comprespores de R717 La energía recuperada en este sistema tiene un nivel térmico bajo, limitado por la presión de condensación de las unidades frigoríficas que permite una temperatura de condensación máxima del orden de 50ºC al 50 encontrarnos en una zona de temperaturas elevadas, como es Sevilla, aunque esta dependerá de la época del año, ya que actualmente se condensa con aire ambiente mediante un grupo de condensadores evaporativos. El valor de la temperatura del fluido en el que aportar la energía recuperada, teniendo en cuenta el subenfriamiento requerido por el R717 (amoniaco), sería del orden de 25-30ºC. Por el nivel térmico, se decide utilizar esta energía recuperada para el precalentamiento de agua blanda presente en el tanque de almacenamiento con capacidad para 1.500 m3. Sino tuviéramos este aporte de calor, el agua blanda se calentaría mediante agua sobrecalentada que procede de tres calderas de gas natural (una de ellas puede funcionar parcialmente con biogás) situadas en la fábrica. Figura 3-12. Ejemplo de tanques de envasado limpiados con agua blanda calentada gracias a la recuperación de calor latente del circuito de frío. 3.2.2. Recuperación del calor sensible de la descarga de los compresores de R717 En la fábrica existe otro consumo importante de agua, la cual es convertida en vapor mediante un intercambiador con agua sobrecalentada, para un determinado proceso de filtrado de la línea de barriles de envasado. Se trata del agua extra blanda, caracterizada por una dureza casi nula. En este caso, los consumos son moderados (del orden de 100 m3/día), e interesa remontar la temperatura lo más alta posible, puesto que el objetivo final es vaporizar esta agua. Evidentemente no es posible usar para ello como foco térmico la condensación del refrigerante, puesto que su nivel térmico es bajo. Sin embargo, es posible recurrir a la energía contenida en el gas de descarga de los compresores, cuya temperatura es de aproximadamente unos 130ºC en gran parte del año, al trabajar con altas presiones de condensación por encontrarnos en el sur de Europa. Por tanto, es posible recuperar energía del gas de descarga a 130ºC, reduciendo su temperatura antes de enviarlo a los condensadores hasta unos 60 ºC, y con esta energía calentar agua hasta una temperatura de hasta 55ºC. Además, este calor recuperado ya no será necesario disiparlo al ambiente en los condensadores evaporativos, con el consiguiente ahorro de electricidad en los ventiladores. 51 Figura 3-13. Generador de vapor a alimentar con el agua extrablanda caliente procedente de la recuperación de calor sensible del circuito de frío. 3.2.3. Propuesta de mejora El objetivo será calcular el ahorro que supone la instalación de dos intercambiadores de calor para el aprovechamiento del calor sensible y latente de la descarga de los dos grupos de compresores que dispone actualmente la fábrica para la refrigeración del agua de producción y del agua alcohólica. Para la selección de estos intercambiadores, en primer lugar, se calculará la capacidad de recuperación actual de la planta, condensando y enfriando con aire ambiente. Para ello, se supondrán varias temperaturas de condensación para poder aproximarnos lo máximo posible a la realidad debido a la gran dependencia de este calor intercambiado con la temperatura ambiente al usar condensadores evaporativos. Este calculo de calores tendrá un doble objetivo: en primer lugar, comprobar, aunque no sea de manera exacta ya que se aproximarán las temperaturas de condensación, si el potencial de aprovechamiento es suficiente para cubrir la demanda de agua de envasado; en segundo lugar, servirá para calcular grosso modo el ahorro de energía que supone la instalación de la nueva medida. Tras un análisis inicial, se propone un escenario futuro que presenta el siguiente esquema: Figura 3-14. Esquema de la solución propuesta para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. 52 Aunque con posibilidad de grandes variaciones en las condiciones de trabajo, se establecerán los parámetros nominales sobre los cuales se diseñará la instalación, principalmente los intercambiadores. Tras la descarga de los compresores, cuya temperatura estará determinada por la temperatura de condensación, el amoniaco atravesará un primer intercambiador donde reducirá su temperatura cediéndole calor a un caudal de agua extrablanda que necesita ser entregada a envasado a 55ºC, hacia el generador de vapor que se encuentra en la línea de barriles. A continuación, este amoniaco se enviará al condensador, establecido nominalmente en una temperatura de condensación de 50ºC, calentando un caudal de agua blanda que deberá salir del condensador a 25ºC hacia el tanque de agua blanda. El objetivo, en primer lugar, será dimensionar el recuperador y el condensador de tal potencia que cumplan la demanda de cesión de calor al agua extrablanda y blanda, respectivamente, obteniendo así el caudal de amoniaco que deberá desviarse del sistema original, suponiendo un funcionamiento del sistema de 5856 horas al año. A continuación, se calcularán las horas de funcionamiento necesarias para cada equipo para cumplir dichas demandas con la potencia dimensionada. El siguiente paso será la optimización en la integración del comportamiento de estos equipos, estudiando posibles modificaciones de la propuesta inicial si fuera necesario, con el objetivo de maximizar el solapamiento del funcionamiento de ambos intercambiadores para minimizar el consumo de agua sobrecalentada para calentar agua blanda en el caso de que no se cumpliera la demanda de energía alguna semana. Este hecho se debe a que, a diferencia del caso del agua blanda, el generador de vapor no cuenta con un depósito o un buffer en el que almacenar el calor, por lo que la circulación por la línea estará condicionada por el funcionamiento del generador, es decir, durante los periodos de envasado de cerveza de barril. Una vez elegidos y dimensionados los equipos para la potencia óptima que minimice los gastos en combustible, se procederá al diseño de su geometría en condiciones nominales de funcionamiento. Tras ello, obteniendo datos reales de temperaturas ambiente y de suministro de agua de la red, se simulará el comportamiento del circuito de recuperación diseñado, para la estimación del ahorro de GJ de gas natural. Esta simulación se realizará bajo dos supuestos: estimación de los ahorros de la simple instalación de la red, funcionando el condensador bajo demanda siempre y cuando funcione el generador, que será el que marque el paso del caudal de amoniaco por la red; estimación de los ahorros cuando, en periodos de baja demanda de envasado en la línea de barriles, controlado mediante planificación, el condensador funciona a plena carga cuando existe caudal circulante por el circuito recuperador, tratando de anticiparse para cubrir la demanda semanal al circular caudal durante menos horas de las necesarias para poder suplirla funcionando bajo caudal de demanda. Finalmente, se calculará la dimensión de la inversión, así como el ahorro anual con respecto a la situación de partida, pudiendo obtener el periodo de retorno del proyecto. Para una más fácil comprensión del objetivo final del proyecto, se adjunta el siguiente diagrama de bloques en el que se muestran todos los pasos a seguir en el proyecto, con la información principal usada en cada etapa y la metodología empleada, así como los outputs de cada fase. 53 Figura 3-15. Diagrama de bloques del procedimiento a seguir para la realización del proyecto. 54 55 4 CÁLCULO DEL POTENCIAL DE APROVECHAMIENTO DE CALOR RESPECTO A LA SITUACIÓN DE PARTIDA 4.1. Cuantificación de la cantidad de calor sensible y latente recuperable en el escenario inicial. En primer lugar, se debe calcular cuánto calor podremos recuperar en el escenario actual, tanto latente como sensible, de la descarga de los compresores, y en qué condiciones. Para ello es fundamental con qué tipo de compresores estamos trabajando, ya que, a partir de su rendimiento, más conocido como COP (coefficient of performance) y su consumo eléctrico podremos determinar cuánto calor necesitará evacuar la instalación, sabiendo que siempre se cumple el siguiente balance energético: 𝑄𝑐=𝑄𝑒+𝑊𝑐 󰇗 Siendo: 𝑄𝑐 ≡ Potencia a evacuar en el foco frío 𝑄𝑒 ≡ Potencia frigorífica a extraer del foco caliente 𝑊𝑐 󰇗 ≡ Potencia consumida por el compresor Como la instalación original permanece completa, ya que sólo se añadirán los respectivos intercambiadores para recuperar el calor, se deben obtener las características técnicas de los compresores. Estas son las que aparecen en la siguiente tabla: Tabla 4-1. Características técnicas de los compresores de la planta de frío de amoniaco. Para comenzar a realizar el balance debemos de determinar el ciclo con el que estamos trabajando, es decir, temperaturas de condensación/evaporación y zonas de expansión/compresión del refrigerante. Fabricante Modelo Compresor Potencia Frigorífica (kW) Potencia del Motor (kW) Datos eléctricos Rango de temperatura nominal (Tevap/Tcond) COP AP HOWDEN WRVi 255 145 26 122 1997 450 6000 v / 3 ph /50 Hz 0 ºC / 35 ºC 4.44 AP WRVi 255 145 26 121 1997 450 6000 v / 3 ph /50 Hz 0 ºC / 35 ºC 4.44 AA WRVi 255 145 26 (SWING) 100 1690 450 6000 v / 3 ph /50 Hz -8 ºC / 35 ºC 3,58 AA WRVi 255 130 30 111 1397 355 6000 v / 3 ph /50 Hz -8 ºC / 35 ºC 3.94 AA WRV 255 220 36 112 2470 650 6000 v / 3 ph /50 Hz -8 ºC / 35 ºC 3.80 AA WRV 255 220 36 113 2470 650 6000 v / 3 ph /50 Hz -8 ºC / 35 ºC 3.80 AP WRV 204 145 28 123 1010 250 400 v / 3 ph /50 Hz 0 ºC / 35 ºC 4.04 56 El caso que nos concierne no es más que un ciclo de compresión mecánica con dos niveles de evaporación como se ha explicado anteriormente, en función de si se evapora frente a agua producto o agua alcohólica. Una vez evaporado, el líquido se comprime respectivamente en un grupo de 3 compresores (en el caso de la evaporación a 0ºC) o en uno de 4 (si la evaporación se realiza a -8ºC). Independientemente del evaporador de origen, todos los compresores descargan en la misma línea, cuya presión es función de la temperatura de condensación con la que se esté trabajando. Con el objetivo de conseguir la máxima exactitud posible, para el cálculo del calor a aprovechar se ha trabajado con 3 temperaturas de condensación diferentes, función de la época del año que nos encontremos: invierno (Enero, febrero, marzo, noviembre y diciembre), verano (Junio, julio, agosto y septiembre) o entretiempo (Abril, Mayo y Octubre). Además, se ha supuesto un sobrecalentamiento del gas antes de la succión de los compresores de 4K, y un subenfriamiento nulo, así como una pérdida de carga nula en los intercambiadores. Obtendremos así un diagrama p-h de la siguiente forma, trabajando siempre con las mismas temperaturas de evaporación independientemente del mes: Figura 4-1. Ciclo termodinámico (diagrama p-h) seguido por el amoniaco en la planta de frío. Cabe señalar la existencia del punto 5, correspondiente a la mezcla de caudales procedente de la descarga de los diferentes grupos de compresores, cuyas características se determinarán a partir de un balance de energía y materia de ambos grupos de compresores. Los puntos similares a todos los meses son los relativos a la evaporación, siendo sus propiedades las siguientes, obtenidas gracias al software CoolPack: Punto Temperatura (ºC) Presión (kPa) Entalpía (kJ/kg) Entropía (kJ/kgK) 1 -4 315.1 1463.3 5.767 3 4 429.4 1473 5.660 Tabla 4-2. Propiedades térmicas de los puntos del ciclo comunes a cualquier época del año. 57 El resto de los puntos que interesan para los cálculos dependerán por tanto del mes del año en que nos encontremos. Para la época de invierno se obtendrá, suponiendo un comportamiento isentrópico de los compresores y una temperatura de condensación de 30 ºC: Punto Temperatura (ºC) Presión (kPa) Entalpía (kJ/kg) Entropía (kJ/kgK) 2 95.73 1250 1664.5 5.767 4 80.74 1250 1625.9 5.660 7 30 1167.2 1486.2 5.263 8 30 1167.2 341.8 1.488 Tabla 4-3. Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de invierno. Para verano, con una temperatura de condensación de 50 ºC: Punto Temperatura (ºC) Presión (kPa) Entalpía (kJ/kg) Entropía (kJ/kgK) 2 140.9 2100 1757.3 5.767 4 124.5 2100 1713.9 5.660 7 50 2034 1491.1 5.050 8 50 2034 440.6 1.799 Tabla 4-4. Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de verano. Y finalmente, para los meses de temperaturas suaves, con una temperatura de condensación de 40 ºC: Punto Temperatura (ºC) Presión (kPa) Entalpía (kJ/kg) Entropía (kJ/kgK) 2 118 1625 1710.2 5.767 4 102.3 1625 1669.2 5.660 7 40 1555.4 1489.9 5.155 8 40 1555.4 390.6 1.645 Tabla 4-5. Propiedades térmicas de los puntos del ciclo para los meses de temperaturas suaves. Como se ha mencionado anteriormente, para determinar el punto 6 es necesario realizar un balance de materia y un balance de energía. Sin embargo, no se disponen de los caudales que circulan por cada uno de los compresores, aunque estos son fácilmente calculables ya que se tienen sus potencias de trabajo, así como se saben que trabajan en régimen todo/nada, es decir, no tienen regulación de potencia, puesto que el objetivo del 64 CONSUMO TOTAL DE AGUA AGUA SOBRECALENTADA POR LÍNEA Y ENVASADO (GJ) Consumo mensual (GJ) 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 ENVASADO ENERO 1 207 504 311 157 380 931 1 627 5 116 FEBRERO 1 256 425 339 151 498 798 1 130 4 596 MARZO 1 067 534 298 199 466 1 288 2 282 6 134 ABRIL 1 610 307 978 1 078 694 1 481 1 636 7 784 MAYO 1 272 610 616 378 473 946 1 339 5 634 JUNIO 1 200 698 362 269 536 1 078 2 713 6 857 JULIO 1 726 737 407 233 625 1 334 2 493 7 555 AGOSTO 1 836 572 394 213 357 1 053 2 210 6 635 SEPTIEMBRE 1 153 738 388 253 301 1 158 1 593 5 584 OCTUBRE 616 487 258 136 447 1 243 1 890 5 076 NOVIEMBRE 822 662 397 198 258 563 742 3 641 DICIEMBRE 797 607 348 263 353 1 284 1 875 5 527 TOTAL ANUAL 14 562 6 881 5 094 3 528 5 388 13 157 21 530 70 141 Tabla 4-11. Demanda semanal, en GJ, de agua sobrecalentada por líneas de envasado. Como conclusión puede decirse que la recuperación del calor de condensación del amoniaco supondría un ahorro superior al 10% (7428 GJ recuperados frente a 70141 GJ de consumo total), traduciéndose a términos económicos en un ahorro de aproximadamente 80000€ al año (con un coste del gas natural de 10,12€/GJ). 4.2.2. Cálculo de la demanda semanal de calor a aportar al agua extrablanda. Se procederá para el dimensionamiento del intercambiador con agua extrablanda de la misma manera que para el aprovechamiento de la condensación de la descarga. Se han utilizado las mismas temperaturas que para el agua blanda del apartado anterior, puesto que ambas aguas proceden de la misma fuente con la diferencia de que la extrablanda pasa por un segundo ablandador para llevar su dureza a un valor próximo a 0. El balance empleado ha sido de nuevo el siguiente: 𝑄󰇗𝑎𝑔𝑢𝑎 =𝑚󰇗 ·𝐶𝑝·(𝑇𝑠𝑎𝑙 −𝑇𝑒𝑛𝑡) Antes de proceder a los cálculos, se han tenido en cuenta dos aspectos importantes: - Por necesidades del generador de vapor, cuyo objetivo final es el de vaporizar el agua extrablanda, la temperatura de salida de la misma será de 55◦C, independientemente de su temperatura de suministro de la red. - El caudal de agua se ha calculado a partir del volumen mensual, ya que en este caso no se dispone de información semanal. Dividiendo el mismo por 4 o 5 semanas, en función del mes, y después entre los 65 segundos contenidos en una semana. Tras ello, de nuevo se ha multiplicado por el factor corrector 8760 5856 para tener en cuenta las horas de funcionamiento media de la planta de frío. El principal consumidor de vapor es envasado, en su línea de barriles debido a la presencia de un generador de vapor. Éste es necesario por las particularidades del proceso de llenado de barriles, puesto que no se pasteuriza en este caso la cerveza. A continuación, se muestra el consumo mensual de agua extra-blanda de este generador de vapor. CONSUMO DE AGUA EXTRA BLANDA (m3) Consumo mensual (m3) AGUA EXTRA BLANDA GENERADOR DE VAPOR ENERO 2 692 FEBRERO 2 211 MARZO 1 194 ABRIL 3 354 MAYO 2 288 JUNIO 3 097 JULIO 4 320 AGOSTO 4 406 SEPTIEMBRE 4 282 OCTUBRE 3 667 NOVIEMBRE 2 613 DICIEMBRE 3 972 TOTAL ANUAL 38 096 Tabla 4-12. Consumos mensuales, en 𝑚3, de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. Empleando de nuevo el balance energético, y suponiendo un Cp de 4,18 𝑘𝐽 𝑘𝑔·°𝐶, se obtienen los resultados para la potencia y la potencia corregida correspondientes a la recuperación de calor sensible del amoniaco. Debido a su extensión, se adjunta la tabla con los resultados semanales en en el Anexo C. De forma gráfica, la demanda semanal queda representada presenta la siguiente tendencia: 66 Figura 4-5. Evolución semanal de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. De nuevo, para el dimensionamiento del intercambiador se requiere de la representación de la curva de carga ordenada, que encierra el área que representa la energía consumida por el generador durante todo el año. Figura 4-6. Curva de carga ordenada de la potencia necesaria, en kW, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. Tomando el valor correspondiente a 5856 horas de funcionamiento, se obtiene una potencia de 320 kW. Una vez dimensionado el intercambiador, se procederá a calcular la energía consumida para generar vapor a partir de esta agua a 55◦C, así como las horas necesarias semanales de funcionamiento para calentar el volumen de agua requerido con la potencia que disponemos, sirviéndonos de nuevo del siguiente balance de energía: 𝑃𝑛𝑜𝑚·ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐·3600=𝑉·𝜌·𝐶𝑝·𝛥𝑇 Los valores resultantes de esta ecuación se adjuntan en el anexo del proyecto. Sin embargo, se incluye a continuación la gráfica de la energía recuperada semanalmente en el intercambiador. 67 Figura 4-7. Evolución semanal de la energía necesaria, en GJ, para cubrir la demanda de agua extrablanda en el generador de vapor de la línea de barriles. De nuevo, una vez calculada la energía a recuperar del calor de sensible del amoniaco, puede calcularse el ratio de ahorro potencial por cada hl de cerveza producido, conociendo la siguiente información: 5857882.10𝑀𝐽 4200459 ℎ𝑙 =1.394 𝑀𝐽 ℎ𝑙 𝑝𝑟𝑜𝑑𝑢𝑐𝑖𝑑𝑜 El caudal nóminal que circulará por el recuperador será igual, con una presión de descarga de 21bar, y un rango de temperaturas nominal de 130 a 60◦C para el amoniaco, a: 𝑚= 320 1728.5−1523.2=1.559𝑘𝑔 𝑠 La mejor opción para el recuperador de calor será optar un intercambiador de carcasa y tubos, debido a la gran diferencia de densidades que existe entre el amoniaco, en estado gas, y el agua, en estado líquido, que provocará caudales volumétricos de amoniaco mucho mas altos. Además, debido a las altas presiones de descarga del amoniaco de los compresores, interesa evitar los intercambiadores de placas por problemas de fugas y por el deterioro de las juntas al poder alcanzar este gas temperaturas superiores a 130◦C. 68 69 5 INTEGRACIÓN DE MEDIDAS: OPTIMIZACIÓN DE LA SOLUCIÓN. 5.1. Valoración de la factibilidad técnica de la propuesta inicial Como puede observarse en el esquema, no todo el caudal de descarga de amoniaco se desvía al sistema de recuperación, sino que este estará marcado por el recuperador para cumplir la demanda de calor a aportar al agua extrablanda. Este hecho indirectamente estará marcado por la presión de condensación, ya que condicionará la temperatura de descarga de los compresores, estipulando el caudal necesario para suplir la demanda de calor. Para el diseño de los intercambiadores, se han tomado las siguientes condiciones de diseño: Figura 5-1. Esquema de la solución propuesta para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. Sin embargo, las necesidades de agua blanda y de agua extrablanda son diferentes y se requieren durante periodos distintos. El periodo de impulsión del amoniaco por la línea será igual a los periodos de funcionamiento del generador de vapor, cuyas horas de funcionamiento a la semana se han calculado en el apartado anterior. Esto se debe a que el funcionamiento del generador no permite acumulación, sino que se requiere en el mismo momento en el que se produzca la demanda; a diferencia del condensador, en el que existe un depósito de 1500 𝑚3, que permitirá la acumulación de calor extra y cuyo potencial de ahorro se estudiará posteriormente. Lo interesante será maximizar las horas en las que ambos equipos tengan demanda simultáneamente, evitando el uso de gas natural para subir la temperatura ya sea del agua blanda como del agua extrablanda. Con las capacidades nominales de 430 kW para el condensador y de 320 kW para el recuperador, calculadas anteriormente como datos de partida, se obtienen los valores correspondientes a las horas en las que no se solapa el funcionamiento. Debido a su extensión se adjuntan los resultados en el Anexo D. Como puede observarse en los resultados, esta diferencia entre horas de funcionamiento se acentúa en verano, cuando la producción de cerveza es máxima y se requiere gran cantidad de vapor en el generador para la ‘falsa’ pasteurización de la cerveza de barril. Este pico de producción coincide con la menor demanda de calor para la limpieza al obtener el agua de red a una temperatura muy superior a las épocas de frío, necesitando una menor demanda de energía. Por tanto, será posible mejorar esta solución de partida, tratando de solapar el funcionamiento de ambos intercambiadores lo máximo posible, jugando con sus caudales y con posibles modificaciones del esquema de la propuesta inicial, enfocado a reducir al máximo el consumo de agua sobrecalentada 70 5.2. Modificación de la propuesta inicial y método de optimización. Por tanto, el siguiente paso del proyecto será optimizar la integración de ambos intercambiadores, modificando sus capacidades nominales tratando de reducir al máximo las horas de funcionamiento no solapadas, ya que conllevará gastos de ASC, impulsión en la línea de recuperación y evacuación de calor en el ventilador indeseados. La manera de proceder para la optimización será la siguiente: 1. Calcular la capacidad del recuperador para que esté completamente solapado al funcionamiento de la planta de recuperación de frio, es decir, se conservará la solución planteada anteriormente. Esto se debe a que el recuperador alimenta directamente el agua extrablanda caliente al generador cuando hay demanda, sin capacidad de cierto almacenamiento como ocurre en el condensador. 2. Una vez dimensionado el recuperador, intercambiador de carcasa y tubos de 320 kW, se optimiza la capacidad del condensador para minimizar las horas de no solape de funcionamiento entre ambas demandas. 3. Con la nueva capacidad del condensador, se obtendrán las horas de funcionamiento de cada intercambiador para cumplir con sus respectivas demandas dadas sus potencias nominales. Así, nos encontraremos con dos posibles escenarios: 3.1 ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 <ℎ𝑟𝑒𝑐 : en este caso la solución consistirá en reducir el caudal másico a través del condensador no trabajando a capacidad nominal, igualando horas de funcionamiento de ambos intercambiadores, ya que sino se excedería la temperatura permitida por el tanque de acumulación de agua blanda. 3.2 ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 >ℎ𝑟𝑒𝑐 : para esta situación se analizarán dos posibles escenarios. - 3.2.1. Se permite reducir el caudal de aporte de agua extrablanda, pudiendo aumentar e igual las horas de funcionamiento del recuperador al del condensador. - 3.2.2. Se asegura que el recuperador trabaje a capacidad nominal durante las horas correspondientes, y el calor a aportar extra no cedidos en el condensador se obtiene en la medida de lo posible del tanque de acumulación de agua blanda, y si esto no fuera suficiente, mediante intercambio con agua sobrecalentada procedente de las calderas. Para poder optimizar la solución de partida se debe modificar el esquema de disposición de los equipos propuesto inicialmente, añadiendo un by-pass que recircule parcialmente el gas enfriado en el recuperador hacia los condensadores evaporativos ya instalados en la fábrica para su condensación por aire. La nueva situación presentaría el siguiente esquema: 71 Figura 5-2. Esquema de la solución propuesta corregida para la línea de recuperación de calor sensible y latente de la descarga de los compresores de la planta de frío. Una vez determinada la capacidad del recuperador en 320 kW, se ha optimiza la capacidad del condensador minimizando la siguiente función objetivo: min (4000·(𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 󰇗 200 )0.8+𝐺𝐽𝐴𝑆𝐶 ·€ 𝐺𝐽𝐴𝑆𝐶) donde: €𝑖𝑛𝑡 =4000·(𝑄𝑐𝑜𝑛𝑑 󰇗 200)0.8 es la ecuación que aproxima el precio de un intercambiador de placas a partir de su capacidad nominal. El objetivo es minimizar los costes precio del intercambiador-consumo de agua sobrecalentada. Al disminuir la capacidad del intercambiador es obvio que su precio será menor, pero crecerá el consumo de agua sobrecalentada necesaria para alcanzar la demanda semanal ya que durante las horas de funcionamiento del recuperador se intercambiará menos calor al tener una menor potencia nominal. Las restricciones del problema han sido que el caudal circulante por el intercambiador sea mayor a 0, y que su capacidad sea menor de 1200 kW, ya que, a partir de dicho valor, según el análisis inicial del proyecto, estaríamos altamente dimensionando el condensador. Cabe comentar que el precio tomado para el GJ de agua sobrecalentada ha sido de 10.12 €/GJ, precio medio del gas natural en el 2016, año en el que se tomaron los datos de consumo para la realización del proyecto. Las ecuaciones empleadas para las tres situaciones son las siguientes: 72 • Si ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 <ℎ𝑟𝑒𝑐, ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = ℎ𝑟𝑒𝑐 Este caso consistiría en reducir la capacidad del condensador para poder igualar las horas de funcionamiento de ambos intercambiadores, ‘bypasseando’ además del caudal resultante de la diferencia entre los caudales nominales de ambos intercambiadores, el caudal que se reduce respecto del nominal para disminuir la potencia del condensador. ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 =ℎ𝑟𝑒𝑐 → 𝑚󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 <𝑚󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 → 𝑄󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 <𝑄󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 1. Obtención del caudal por el condensador 𝑚󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑[𝑘𝑔 𝑠]=𝑄𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑[𝐺𝐽]·106 𝛥ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 ·3600 < 𝑚󰇗 𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 2. Obtención del caudal por el by-pass 𝑚󰇗𝑏𝑦𝑝𝑎𝑠𝑠 = 𝑚󰇗𝑟𝑒𝑐 −𝑚󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 3. Potencia del condensador 𝑄󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 =𝑚󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 · 𝛥ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 • Si ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 >ℎ𝑟𝑒𝑐, 1. Si ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = ℎ𝑟𝑒𝑐 Con este escenario, el condensador trabajaría plena carga durante las horas de funcionamiento del recuperador, recuperando la máxima energía posible. El restante de calor hasta cumplir con la demanda se obtendría mediante el aporte extra de agua sobrecalentada para obtener los 25◦C deseados. 1.1. Cálculo de la energía recuperada: 𝑄𝑟𝑒𝑐[𝐺𝐽]= 𝑄󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑛𝑜𝑚[𝑘𝑊]·ℎ𝑟𝑒𝑐 ·3600 106 1.2. Cálculo de la demanda de ASC extra: 𝑄𝐴𝑆𝐶 =𝑄𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑐𝑜𝑛𝑑−𝑄𝑟𝑒𝑐 73 2. Si ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑖𝑒𝑛𝑡𝑜 = ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑 Esta opción implica el aumentar las horas de funcionamiento del recuperador, igualándolas a las del condensador, disminuyendo su caudal respecto al nominal. Cabe destacar que físicamente este escenario implicaría el aporte de un menor caudal de agua caliente al generador de vapor, por lo que sólo sería válido en el caso de que envasado diera el visto bueno a esta menor velocidad de aporte. Es por ello por lo que la optimización se ha realizado con respecto al segundo escenario si las horas de funcionamiento del condensador superaran a las del recuperador, pero se ha querido analizar esta posibilidad ya que conllevaría un ahorro extra al no tener que requerir agua sobrecalentada para subsanar la demanda no satisfecha en el intercambiador. 2.1. Cálculo de la potencia del recuperador 𝑄󰇗𝑟𝑒𝑐[𝑘𝑊]=𝑄𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎 𝑟𝑒𝑐[𝐺𝐽]·106 ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑·3600 < 𝑄󰇗𝑟𝑒𝑐 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 2.2. Caudal de agua caliente hacia el generador respecto al nominal %𝐻2𝑂 =𝑄󰇗𝑟𝑒𝑐 𝑄󰇗𝑟𝑒𝑐 𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙 Al plantear todas las ecuaciones y restricciones, se ha obtenido un resultado óptimo de dimensionamiento del condensador de: 𝑄󰇗𝑐𝑜𝑛𝑑 𝑛𝑜𝑚[𝑘𝑊]=780 𝑘𝑊 En la siguiente figura puede observarse el comportamiento inversamente proporcional entre el coste del equipo y el coste a incurrir en gas natural a medida que se incrementa la capacidad nominal del intercambiador, justificando la selección de un equipo de 780kW. Los resultados sobre los cuales se ha basado el gráfico se adjuntan en el anexo E. Figura 5-3. Dependencia de los costes operacionales (gas natural) y de los costes de capital (condensador) respecto a la carga nominal del intercambiador. Dicho escenario optimizado será al cuál se le realizará el análisis de viabilidad económica. A continuación, se obtienen los valores resultantes de todas las ecuaciones y escenarios planteados. La tabla con los valores 80 𝐴𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 =𝜋·0.6352 4=0.3167 𝑚2 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =292·𝜋·0.02542 4=0.14796 𝑚2 Por tanto, el área de paso del agua será igual a 0.1687 𝑚2, y la velocidad de paso por la carcasa, considerando un caudal de 2.19 kg/s, se obtendrá como: 𝑣= 𝑞󰇗 𝐴𝑝𝑎𝑠𝑜 =0.013𝑚 𝑠 Resolviendo el valor de los números adimensionales, se obtienen los siguientes valores: 𝑅𝑒=𝜌·𝑣·𝐷𝑒𝑞 𝜇=994.1·0.013·0.0884 7.191·10−4 =1588.68 𝑃𝑟=𝐶𝑃·𝜇 𝑘=4179·7.191·10−4 0.6218 =4.833 Como el número de Reynolds se encuentra en el rango entre 40 y 4000, los valores para las constantes C y m valdrán respectivamente 0.683 y 0.466. Reuniendo toda la información y sustituyendo en la correlación de Nusselt: 𝑁𝑢=0.683·𝑅𝑒0.466·𝑃𝑟1/3 =35.82 𝑁𝑢=ℎ·𝐷𝑒𝑞 𝑘→ℎ=251.96 𝑊 𝑚2·𝐾 Una vez calculados ambos coeficientes de película, se calcula el coeficiente global de transferencia para poder corregir el error en el que se incurrió al suponer su valor en 0.15 𝑊 𝑚2·𝐾. Para ello, se recuerda la expresión para el cálculo del coeficiente U en intercambiadores de carcasa y tubo: 𝑈= 1 𝑑𝑒𝑥𝑡 𝑑𝑖𝑛𝑡·ℎ𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠+ln (𝑑𝑒𝑥𝑡 𝑑𝑖𝑛𝑡) 2𝜋𝑘𝐿𝑖𝑛𝑡 +1 ℎ𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 Suponiendo un espesor de los tubos de 1mm, y que estos tienen una conductividad térmica de 15 𝑊 𝑚·𝐾, se obtiene un valor para el coeficiente global de transferencia de 101.62 𝑊 𝑚2·𝐾, aproximadamente la mitad del valor supuesto. A continuación, se repetirán los cálculos con este nuevo valor, obteniendo una nueva área de transferencia de 65 𝑚2. 81 Tabla 5-1. Diámetro de carcasa y número de tubos en función del diámetro y tipo de los tubos, su disposición y el número de pasos por los tubos. Como puede observarse en la tabla, se ha seleccionado en esta ocasión un diámetro de ¾”. Esto se debe al hecho de que, como el objetivo es conseguir un coeficiente de película similar a 101.62 𝑊 𝑚2·𝐾, se busca que se obtenga aproximadamente la misma velocidad que en el caso anterior, aumentando el número de tubos para cumplir el requisito de área, pero reduciendo el diámetro para tratar de mantener la velocidad en torno 1.5 m/s. La consecuencia negativa de esta reducción de diámetro y aumento de número de tubos será el incremento de la pérdida de carga, pero existe un amplio margen hasta alcanzar los 50 kPa de caída de presión. Así, se vuelven a comprobar las restricciones: De la restricción [1]: 65=𝜋·𝐷·𝐿·𝑁𝑡 𝐿=1.95𝑚≤2𝑚 De la restricción [2]: 𝑣= 0.111 𝑁𝑡𝑝·𝜋·𝐷2 4=1.4𝑚 𝑠 ∈[0.5÷2]𝑚 𝑠 De la restricción [3]: ℎ𝑐=0.025·𝐿·𝑁𝑡 𝐷·𝑣2 2·9.8=142.28𝑚 ∆𝑃(𝑏𝑎𝑟)=15.506·15.21·9.8=21208.49 𝑃𝑎 ≤50000 𝑃𝑎 Recalculando el coeficiente de película para los tubos: 𝑅𝑒=𝜌·𝑣·𝐷 𝜇=15.21·1.4·0.01905 1.258·10−5 =32245.68 Mientras que el número de Prandtl permanecerá constante al depender únicamente de las propiedades térmicas del fluido y no de la geometría del intercambiador. 𝑁𝑢𝐷=0.023·𝑅𝑒0.8·𝑃𝑟0.4 =98.55 𝑁𝑢=ℎ·𝐷 𝑘→ℎ=184 𝑊 𝑚2·𝐾, 82 Con respecto a la carcasa, de la tabla de selección del número de tubos se obtuvo un nuevo valor para el diámetro interior de 27”, lo que equivale a 0.6858m. Rehaciendo los cálculos geométricos: 𝐴𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 =𝜋·0.68582 4=0.3694 𝑚2 𝐴𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =556·𝜋·0.019052 4=0.1585 𝑚2 Y, por tanto, la nueva área de paso para el agua será igual a 0.2109𝑚2. Recalculando Reynolds para la nueva velocidad, igual a 0.0104 m/s, y el nuevo diámetro equivalente, igual a 0.065m, se obtiene: 𝑅𝑒=𝜌·𝑣·𝐷𝑒𝑞 𝜇=994.1·0.0104·0.065 7.191·10−4 =938.6 Y finalmente, resolviendo la correlación para un haz de tubos: 𝑁𝑢=0.683·𝑅𝑒0.466·𝑃𝑟1/3 =28.03 𝑁𝑢=ℎ·𝐷𝑒𝑞 𝑘→ℎ=268.17 𝑊 𝑚2·𝐾 Recalculando el coeficiente global de transferencia para la nueva geometría: 𝑈=105.65 𝑊 𝑚2·𝐾 ≅101.62 𝑊 𝑚2·𝐾 Por lo que se dará por válida la geometría recalculada para el recuperador de calor sensible, con las siguientes características: 𝐿𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =1.95𝑚 𝑁𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =556 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑓𝑖𝑗𝑜𝑠 𝑛𝑐=1 𝑝𝑎𝑠𝑜 𝑝𝑜𝑟 𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 𝑛𝑝𝑡 =2 𝑝𝑎𝑠𝑜𝑠 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑜𝑠 𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 𝑑𝑜=3/4”=19.05𝑚𝑚 𝑒𝑠𝑝𝑒𝑠𝑜𝑟𝑡𝑢𝑏𝑜𝑠 =1𝑚𝑚 𝐷𝑖𝑛𝑡𝑐𝑎𝑟𝑐𝑎𝑠𝑎 =27”=0.6858𝑚 Figura 5-7. Diseño en AutoCAD de un intercambiador de carcasa y tubos similar a la solución obtenida. 83 5.3.2. Diseño geométrico del recuperador de calor latente: condensador de placas. Tras el dimensionamiento del condensador de manera en la que se minimizará el consumo de agua sobrecalentada al integrar su funcionamiento con el recuperdaor, se procederá al diseño de su geometría. Para ello, se hará uso de un software facilitado por la compañía Danfoss para el diseño de condensadores de placas. En el siguiente esquema se recuerdan las condiciones nominales sobre las cuales se diseñará el intercambiador, donde cabe destacar que se ha supuesto que el fluido entra 5K por encima de su temperatura de condensación para evitar que comience a licuar previamente a la entrada del condensador, y donde también se ha supuesto un sobrenfriamiento de 1K: Figura 5-8. Esquema del condensador para la recuperación de calor latente en condiciones nominales. Así, el primer paso para su diseño es especificar en el software los fluidos, las temperaturas de trabajo, la caída de presión máxima y la carga nominal del intercambiador, como se puede ver en la siguiente imagen del interfaz con el usuario: Figura 5-9. Definición de variables en el Software para el diseño geométrico del intercambiador. 84 Cabe destacar que los caudales que el programa da como resultado se obtienen mediante los siguientes balances energéticos: - Para el lado del amoniaco: 𝑚𝑁𝐻3 󰇗 = 𝑄󰇗 ∆ℎ𝑐𝑜𝑛𝑑50℃=780 1491.1 – 440.6=0.742𝑘𝑔 𝑠 - Para el lado del agua blanda: 𝑚𝐻2𝑂 󰇗 = 𝑄󰇗 𝐶𝑃·(25−17.5)=780 4.18·(25−17.5)=24.88𝑘𝑔 𝑠 Y el cálculo de la pérdida de carga en los intercambiadores de placas se obtiene mediante la siguiente ecuación, que rige esta caída de presión en función del fluido y las propiedades geométricas del intercambiador: ∆𝑃=2·𝑓·𝐿𝑝·𝐺2 𝜌·𝐷ℎ donde: - 𝑓 ≡ factor de fricción [adim], y se obtiene, si se trata de régimen laminar, mediante: - 𝐿𝑝 ≡ longitud de flujo [m], y se obtiene mediante: 𝐿𝑝= 𝐴𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 𝑊 donde 𝐴𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑓 se refiere al área de transferencia de las placas, en 𝑚2, y W es el ancho de las mismas, en m. - G ≡ gasto másico [ 𝑘𝑔 𝑚2·𝑠], obtenido mediante: 𝐺=𝜌·𝑣 - 𝐷ℎ ≡ diámetro hidráulico [m], obtenido mediante: 𝐷ℎ=2·𝑏 𝜑 donde b se refiere de nuevo a la separación entre placas, en m, y φ al ángulo Chevron, en rad. A continuación, se aportan los datos técnicos que el programa da como resultado: 85 Figura 5-10. Lista de resultados técnicos ofrecidos por el programa para el intercambiador de placas propuesto como solución. El programa nos ofrece también información acerca de los coeficientes de película de ambos fluidos. En los intercambiadores de placas, el coeficiente global de transferencia se calcula mediante la siguiente expresión: 1 U=1 hNH3+Δx k+1 hH2O donde - Δx ≡ espesor de las placas, en m. - k ≡ resistencia térmica del material de las placas, en 𝑊 𝑚·𝐾. Con un espesor de placas de 0.5mm, y una conductividad del material de 15 𝑊 𝑚·𝐾, se obtiene un coeficiente global de transferencia para el intercambiador de: 𝑈[𝑊 𝑚2·𝐾]=4320 Valor dentro de rango para los intercambiadores de placas con cambio de fase. A continuación, se añade el diseño del intercambiador que cumple las condiciones nominales de temperaturas y potencia, especificando todas las dimensiones del condensador a instalar: 86 Figura 5-11. Esquema de las características geométricas del intercambiador de placas a emplear como condensador en el proyecto. 5.4. Integración a la solución de un depósito de acumulación del calor de condensación. Como se comentó anteriormente, existe la posibilidad de acumulación de agua blanda caliente en un depósito de 1500 𝑚3 ya instalado en la fábrica, por lo que el único coste extra sería el que se debería incurrir para las conexiones con el intercambiador y la instrumentación. Sin embargo, este potencial de ahorro extra no se ha considerado para el dimensionamiento del condesador ya que al tener el depósito conexiones con otros departamentos de la fábrica no se podrá concretar su actuación sobre el intercambiador, sino que simplemente se aproximarán los ahorros que podría suponer anualmente su función de ‘buffer’. La instalación de este tanque en el circuito podría suponer un ahorro potencial, aprovechándonos de los periodos tan altos de no solapamiento entre intercambiadores que se da en verano. El agua caliente extra generada se utilizará en los periodos en los que el condensador requiera una mayor cantidad de horas de funcionamiento que el generador, evitando el consumo de gas natural para producir agua sobrecalentada en las calderas. Una doble ventaja de la integración de este depósito es el mayor aprovechamiento de la capacidad del condensador cuando las horas de funcionamiento entre ambos intercambiadores son muy dispares, ya que, sino esto implicaría un caudal muy pequeño por el condensador para igualar estos periodos, perdiendo tanto eficacia en el intercambiador como aumentando el consumo eléctrico de bombeo por el by-pass y de evacuación de calor en los condensadores evaporativos. El esquema que refleja la integración de dicho tanque sería de la siguiente forma: 87 Figura 5-12. Esquema propuesto para el circuito de conexión entre el condensador para la recuperación de calor latente y el tanque de acumulación de agua blanda. Este depósito está presurizado a aproximadamente 3 atm, por lo que la temperatura máxima que podrá alcanzar el agua de su interior, acumulando energía de estas horas ‘de más’ que funciona el recuperador respecto al condensador, será de aproximadamente 130◦C, temperatura a la que empieza a ebullir el agua a dicha presión. El suministro de agua blanda al tanque a temperatura ambiente se realizará en aquellos momentos en los que descienda su capacidad de los 200 𝑚3, para garantizar siempre que existe un mínimo nivel de agua blanda caliente para cualquier departamento que requiera su uso. Además, se supondrá que el depósito tendrá una eficiencia de acumulación de este calor de 80%, y que en cada paso de tiempo se supondrá una pérdida de un 20% del calor acumulado y de un 50% del volumen del depósito, tanto por pérdidas con el ambiente como por consumo por parte de otros departamentos de esta agua caliente. Aunque no considerado en este proyecto, cabe destacar el ahorro extra en otros departamentos que supone obtener el agua caliente de este depósito, evitando el consumo de agua sobrecalentada en sus respectivos intercambiadores para alcanzar la temperatura de servicio que requieran. La manera de proceder para los periodos de llenado será la siguiente: 1. Si en la semana que se esté considerando las horas de funcionamiento del recuperador superan a las del condensador, se calculará la energía demandada a este último intercambiador para conseguir que el tanque esté a final de semana a 130◦C, acumulando así la máxima energía posible. La ecuación a emplear será la siguiente: 𝐸𝑇𝑂𝑇 =𝐸𝑑𝑒𝑚𝑎𝑛𝑑𝑎+ 𝑀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 ·𝐶𝑝·(130−𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1·0.8) 0.8 2. Una vez obtenida la nueva demanda de energía, se calcula el caudal que deberá circular por el condensador para suplir esta demanda. Al compararlo con el caudal máximo que puede circular por el intercambiador dada su capacidad nominal, pueden darse dos situaciones: 2.1. El caudal obtenido es superior al nominal. En este caso, se considera que el caudal a circular por el condensador es igual al máximo permitido, calculando después la temperatura final del tanque en dicha semana, que será obviamente menor a los 130◦C deseados, mediante la siguiente ecuación: 88 𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =𝑀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1·0.5·𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1 ·0.8+𝑚𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 ·ℎ𝑑𝑒𝑝 ·𝑇𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 𝑀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1·0.5+𝑚𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 ·ℎ𝑑𝑒𝑝 2.2. El caudal obtenido es menor al nominal, por lo que se alcanzará la temperatura de 130◦C buscada en el tanque. 3. Se calcula la potencia del condensador durante esa semana con el nuevo caudal corregido. 4. Se calcula el volumen final del tanque en dicha semana aminorando la entrada de agua caliente con el 20% del volumen del tanque que se pierde semanalmente por el consumo de otros departamentos. Para los periodos en los que el calor demandado en el condesador sea mayor que para el recuperador, la forma de proceder será la siguiente: 1. La energía a extraer del depósito (𝐸𝑇𝑂𝑇) en este caso será igual a la demanda que no es capaz de suplir el condensador por falta de horas de funcionamiento, aún estando a plena carga. 2. Se calcula el caudal que circula desde el depósito hasta el punto de suministro a consumidores. Dicho caudal se obtiene mediante la siguiente ecuación: 𝑚𝑠𝑢𝑚 =𝐸𝑇𝑂𝑇 𝐶𝑝·ℎ𝑓𝑢𝑛𝑐 ·3600·(𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1−25) 3. Se calcula la nueva temperatura del tanque tras la extracción de calor, empleando: 𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 =𝑀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1·0.5·𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1 ·0.8−𝑚𝑜𝑢𝑡𝑙𝑒𝑡 ·ℎ𝑑𝑒𝑝 ·𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1 ·0.8 𝑀𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒−1·0.5+𝑚𝑖𝑛𝑙𝑒𝑡 ·ℎ𝑑𝑒𝑝 4. Se obtiene el volumen final del tanque tras retirar dicho caudal de agua caliente. Como aclaración, ℎ𝑑𝑒𝑝 se refiere a las horas en las que el condensador funciona de más con respecto a lo necesario para suplir la demanda de calor. Mientras se han realizado los cálculos, se han observado posibles situaciones en las que el sistema se encontraría fuera de especificaciones. Esto puede ocurrir por: - Problemas de volumen: - Volumen inferior a 200 𝑚3. Se añadirá una cantidad de agua blanda a temperatura ambiente proporcional a 500 𝑚3en función de la demanda de dicha semana, sin superar los 1500 𝑚3límite. - Volumen superior a 1500 𝑚3. En este caso se establecerá el caudal en cierta cantidad que garantice que el volumen del deposito nunca supere este valor limite, obteniendo en consecuencia una menor cantidad de calor recuperado para ser utilizado bien en otras zonas de la fábrica o en periodos posteriores. - Problemas de temperatura, siendo inferior a 25◦C. La forma de solventar el problema es aportando calor mediante agua sobrecalentada al tanque hasta que se vuelva a alcanzar esta temperatura, aminorando los ahorros de su implementación. Esta situación puede ocurrir en los casos de extracción de calor del tanque mediante un caudal saliente, acentuado si coincide con el llenado del tanque mediante agua blanda a temperatura ambiente, la cual suele estar en torno a 15◦C. Debido al hecho de trabajar con agua presurizada, no se pueden simplicar en la ecuación las propiedades térmicas del agua. Por ello, se ajustará la densidad con una recta de regresión para que, en cada paso de tiempo, está se ajuste lo máximo posible al valor de la temperatura del depósito, puesto que será igual a la de salida y la de entrada será constante e igual a la correspondiente a 25◦C. La recta utilizada es la siguiente, obtenida para un conjunto de valores comprendidos entre los 25 y los 130◦C, con una presión de 3atm: 𝜌(𝑘𝑔 𝑚3)=1008.8−5.7972·𝑇𝑡𝑎𝑛𝑞𝑢𝑒 89 Figura 5-13. Evolución de la densidad del agua a 3atm en función de la temperatura: aproximación mediante recta de regresión. Para la densidad del depósito al final de cada periodo, esta se ha supuesto idéntica a la del periodo anterior debido al desconocimiento de cuál será su temperatura y a que el incremento de temperatura no será tan grande como para incurrir en errores excesivos. Por otra parte, el calor específico a presión constante se supondrá constante e igual a 4.22 𝑘𝐽 𝑘𝑔·𝐾, ya que su valor apenas varía entre los 25◦C (𝐶𝑝=4.18 𝑘𝐽 𝑘𝑔·𝐾) y los 130◦C (𝐶𝑝=4.26 𝑘𝐽 𝑘𝑔·𝐾). La información que se desea obtener es si compensan los gastos a incurrir para la conexión del intercambiador con el depósito con respecto a los ahorros en agua sobrecalentada que supondría su instalación, sabiendo que se cumplen las restricciones especificadas anteriormente. Por ello, se muestra a continuación la energía que se acumularía o perdería semanalmente en el tanque, en GJ: Figura 5-14. Evolución de la energía acumulada o extraída semanalmente en el tanque de acumulación de agua blanda. Los valores positivos se refieren a aquellos periodos en los que ya se ha suplido la demanda de calor necesaria en envasado y su exceso se acumula en el depósito. Los valores negativos se refieren al calor extraido del depósito por culpa de un exceso de horas de funcionamiento, pudiendo incluirse en algunos de estos valores 96 5.6. Simulación del funcionamiento del circuito con cualquier temperatura de condensación. El objetivo final de este proyecto es anticiparnos a los periodos en los que el generador de vapor tiene un bajo periodo de funcionamiento, para que, durante estas horas, el condensador pueda funcionar a plena carga y así poder acumular la máxima cantidad de calor posible en el depósito. Para ello, interesa recavar la máxima información posible acerca de los turnos de funcionamiento de la línea de barriles mediante un histórico de su uso durante los años. Así, se muestra en la siguiente gráfica el consumo mensual, en 𝑚3, de agua extrablanda en el generador de vapor desde el 2015, primer año desde que se puede contabilizar esta información mediante la base de datos de la empresa: Figura 5-21. Tendencia anual del consumo de agua extrablanda del generador de vapor de la línea de barriles. Como se ha comentado, existe una intrínseca relación entre la producción de cerveza y el consumo de agua extrablanda, por lo que la estrategia será definir los meses de menor producción y forzar a que el condensador funcione a plena carga durante este periodo. Figura 5-22. Evolución del volumen de cerveza, en hl, envasada en la línea de barriles. 97 Además, la planificación para la producción en fábrica es acordada con 1 mes de adelanto por lo que en el caso de alguna variación importante en el consumo podría modificarse con antelación la actuación sobre la válvula. En el caso de que no se forzara el funcionamiento a plena carga del condensador no existiría ningún problema en su funcionamiento, sino simplemente se perdería potencial de ahorro por acumulación de calor, funcionando el condensador en las condiciones de caudal impuestas por el consumidor. La estrategia será, al trabajar el generador de vapor a potencia máxima, calcular el caudal promedio con el que trabaja cuando es requerida el agua caliente. Así podrá estimarse, mediante los turnos de trabajo en los cuáles trabajará a plena carga, la energía que será posible recuperar para ceder al agua extrablanda, y establecer si el condensador deberá funcionar o no a potencia nominal. Cabe destacar que, el recuperador, aun funcionando a plena carga, no tiene por qué suplir la demanda completa con el calor sensible del amoniaco, ya que puede que coincida un mes con suministro de agua a menor temperatura, teniendo que aportar una mayor energía para vencer el ΔT. En el caso contrario, en el que se presentara un mes con temperaturas mas cercanas a los 25◦C, no sería necesario que el recuperador trabajase a 320 kW, recordando así el hecho de que el intercambiador ha sido dimensionado tratando de asegurar la demanda en un cierto ratio, pero sin sobredimensionar el equipo llevando a gastos innecesarios. Por tanto, el primer paso ha sido calcular el caudal aproximado de alimentación de AEB al recuperador. Este valor se ha obtenido calculando el caudal necesario para poder trabajar a plena carga, en función de la temperatura de suministro del agua imponiendo que esta salga del intercambiador a 55◦C. El resultado ha sido el siguiente: Figura 5-23. Evolución del caudal necesario de agua extrablanda semanal para que el recuperador trabaje a plena carga. De los resultados del caudal, se obtiene un valor promedio de 7.42 m3/h, cuyo valor se empleará para la simulación. A continuación, mediante la simulación del comportamiento del circuito mediante un programa en EES (Engineering Equation Solver) y el uso de valores reales de consumos de agua, temperatura ambiente en Sevilla, y temperatura de suministro de agua blanda durante las 52 semanas del 2016, se estimarán las condiciones de trabajo en la línea (temperaturas, caudal recirculado por el condensador, y carga del condensador), con el objetivo de comparar los ahorros por la simple instalación de la línea, y su maximización en el caso de anticiparnos a épocas de alta producción. Para ello, se estimarán mediante el consumo total de agua extrablanda y la potencia nominal los turnos de trabajo de 8h en los cuales ha funcionado la línea por semana, pudiendo estimar así la energía recuperada en cada equipo. Antes de la simulación de cada caso, se adjunta un gráfico con la variación de las temperaturas del agua de suministro y del aire ambiente, tomando como temperatura de condensación en la simulación su valor mas un ΔT=10K. 98 Figura 5-24. Variación de las temperaturas de suministro del agua y de la temperatura del aire ambiente durante el año 2016. 5.6.1. Simulación de la línea de recuperación sin planificación de la producción. En el caso de que simplemente se deseen cuantificar los ahorros que implica la instalación de la línea de recuperación, sin optimizar el uso de carga del condensador, éste funcionará cuando lo haga el generador de vapor, cediendo el caudal de agua caliente demandanda por los consumidores. El primer paso será conocer la tendencia de la carga de trabajo de ambos intercambiadores, para valorar el aprovechamiento de su potencia nominal: Figura 5-25. Potencia nominal de recuperador de calor sensible y del condensador, y comparación con su valor nominal de funcionamiento. Como era de esperar, el recuperador funciona a su carga nominal, o muy cercano a su valor, durante casi todo el año, debido al hecho de haber sido diseñado según la demanda promedio. Sin embargo, el condensador se aleja de los 780kW nominales, hecho que podrá solucionarse mediante la planificación y cuyo efecto se valorará en el siguiente apartado. Con el objetivo de estimar los ahorros, se muestran a continuación las gráficas en las que se comparan la 99 energía real recuperada en cada intercambiador y la demanda que debía haberse cubierto para aprovechar totalmente el calor de la descarga y no tener que hacer uso del agua sobrecalentada y sus consecuentes gastos en gas natural. En primer lugar, se muestra la energía recuperada en el recuperador de calor sensible: Figura 5-26. Energía sensible recuperada frente a la demanda total de calor para el agua extrablanda. Figura 5-27. Energía latente recuperada frente a la demanda total de calor para el agua blanda. Mientras que para el agua extrablanda casi siempre se alcanza la energía total demandada, en el condensador depende de la época del año, alejándose del valor de consigna en los meses con poca demanda en la línea de barriles y superando incluso la demanda, acumulando calor en el depósito, en los meses de verano, cuando la producción en barriles es máxima como se observan en las gráficas de volumen de cerveza envasada. En números, el ahorro que supondría la implantación de este escenario sería: GJ recuperados GJ a aportar con ASC GJ almacenados 100 Recuperador sensible 5685.53 172.35 0 Condensador 6150.11 1637.54 359.49 Tabla 5-3. Estimación del ahorro en ASC al implemetar la línea de recuperación de calor sin planificación de la producción. 5.6.2. Simulación de la línea de recuperación con planificación de la producción. En este caso, se considerará que podremos anticiparnos al periodo de baja producción en la línea de barriles, haciendo trabajar al condensador a máxima potencia para intentar acumular la mayor cantidad posible de calor disminuyendo el consumo de agua sobrecalentada. Estas semanas se corresponden con el rango entre la semana 7 y la 13, y de la 18 a la 22, correspondientes a los meses de febrero-marzo y mayo. Simulando de nuevo con los mismos datos de temperatura ambiente y de temperatura de suministro de agua, pero imponiendo durante dichas semanas que el condensador funcione a 780kW ajustando el caudal de agua extrablanda a dicho valor, se obtiene el siguiente perfil de aprovechamiento de calor latente: Figura 5-28. Energía latente recuperada frente a la demanda total de calor para el agua blanda con la planificación de la producción. Como puede observarse, el nuevo perfil del calor recuperado se ajusta mas a la demanda, minimizando el consumo de agua sobrecalentada. Recalculando los ahorros para el condensador, ya que el recuperador mantiene su mismo comportamiento, se obtienen los siguientes resultados: GJ recuperados GJ a aportar con ASC GJ almacenados Recuperador sensible 5685.53 172.35 0 Condensador 6992.69 993.72 558.26 Variación respecto al escenario 1 842.58 -643.81 198.77 Tabla 5-4. Estimación del ahorro en ASC al implemetar la línea de recuperación de calor sin planificación de la producción. Esta posibilidad de intentar ajustar el comportamiento del condensador a la demanda en la línea solo es posible mediante el uso del depósito de acumulación de agua blanda que se comentó anteriormente, y cuyo comportamiento se estudió para condiciones nominales y suponiendo que la demanda semanal de energía era 101 conocida con antelación, lo cuál no se podrá preveer cuando se generalice. En ese caso los ahorros eran máximos, puesto que el condensador funcionaba siempre a carga nominal, supliendo la demanda y acumulando calor para tratar de alcanzar siempre la temperatura máxima permitida en el depósito teniendo siempre un reservorio de calor para reducir la demanda de ASC. Sin embargo, según el funcionamiento de la instalación mediante planificación, la función del depósito será acumular el calor que, una vez haya sido suplida la demanda de energía para el agua blanda, el condensador ceda trabajando a carga nominal hasta que el generador de vapor finalice su periodo de funcionamiento. Para el año sobre el cuál se están realizando las simulaciones, el objetivo de la instalación del tanque será conseguir la siguiente modificación del perfil de calor demandado de ASC a suministrar para suplir la demanda de agua blanda a 25◦C: Figura 5-29. Simulación de la evolución de la energía demandada mediante ASC. Cabe aclarar que los valores negativos en el gráfico son reflejo de una acumulación de calor en el depósito. Esto puede ocurrir por dos motivos: - Al funcionar durante las semanas de menor demanda en la línea de barriles, según planificación, a carga nominal, el condensador no solo será capaz de suplir la demanda de agua blanda, sino que podrá acumular energía en el tanque para futuras semanas en las que por falta de planificación no se ajuste la capacidad del condensador a la baja produccion de la línea de barriles y se tuviera que hacer uso de agua sobrecalentada, pudiendo en ese caso recuperar el calor del tanque de acumulación. - Periodos de alta productividad en la línea de barriles, como ocurre en verano, en los que aún sin funcionar a carga nominal, el condensador es capaz de suplir la demanda de agua blanda y además acumular calor en el depósito por el gran número de horas en las que se requiere el funcionamiento de la línea de recuperación. Sin embargo, para aprovechar esta energía también debería de planificarse estos periodos de alta demanda de cerveza en barriles, por lo que en el caso que nos concierne no se cuantificarán como ahorros. Por tanto, la forma de proceder del depósito será la siguiente, para una situación genérica: • Si se trata de un mes en el que, por alta productividad del generador de vapor, no se planifica que el condensador funcione a plena carga, éste operará directamente frente al consumidor suministrándole el agua a 25◦C cuando se requiera. En el caso de que cuando se requiera éste agua no se encuentre en funcionamiento la línea de recuperación, se suministrará el calor mediante circulación de agua sobrecalentada calentando dicho agua antes de ser entregada a consumidores. • Si en caso contrario, se planifica que el condensador funcione a plena carga al tratarse de una semana en el que la línea de barriles no funcione durante un gran número de turnos, el condensador intercambiará calor con el agua recirculada desde el depósito de acumulación, aportándole agua a 102 130◦C, límite de temperatura a soportar por el depósito para evitar la vaporización del agua presurizada. El consumidor en este caso obtendría el agua del tanque, y no directamente desde el condensador, a la temperatura a la que se encontrara el agua estratificada más fría, aunque fuera quizás a una temperatura superior a los 25◦C especificados. En el caso de que se alcanzara la temperatura límite en el depósito, simplemente se detendría la recirculación del agua desde el depósito al intercambiador, disminuyendo la temperatura del agua acumulada a medida que el consumidor requiere caudal o por pérdidas con el ambiente, momento en el que, si siguiera existiendo circulación de amoniaco por la línea de recuperación, volvería a activarse la recirculación de agua blanda por el condensador. A continuación, se muestra la instrumentación necesaria para implementar el funcionamiento especificado: Figura 5-30. Instrumentación necesaria para el correcto funcionamiento del tanque de acumulación. En la imagen puede observarse como un flujómetro en la línea de amoniaco informará si existe circulación o no de refrigerante, para activar la bomba de circulación de agua blanda por el condensador. Además, si se alcanzan los 130◦C en el depósito, también se detendrá la circulación de agua como se mencionó anteriormente. Finalmente, si existe demanda, pero no hay circulación de agua blanda por el intercambiador se hará uso de lo acumulado en el depósito, empleando el ASC necesaria para alcanzar los 25◦C si fuera necesario. 103 6 VIABILIDAD ECONÓMICA DEL PROYECTO 6.1. Tipos de inversión y cuantía de las mismas 6.1.1. Inversión bruta Como recordatorio del escenario optimizado, se adjunta la siguiente tabla indicando las inversiones que supondrá el proyecto en instalaciones y maquinaria: 1x Recuperador de calor sensible del NH3: intercambiador de carcasa y tubos (320kW) 19332 € 1x Condensador para recuperar el calor latente del NH3: intercambiador de placas (780 kW) 11955.7 € 1x Bomba de NH3 5013.2 € Valvulería e instrumentación (10% del coste de los equipos) 7260.2€ Tabla 6-1. Precio de los equipos requeridos para la implantación del proyecto. Donde el coste del recuperador se ha estimado mediante la siguiente ecuación que estima el coste de los intercambiadores de carcasa y tubo a partir de su superficie, para áreas de transferencia menores a 2000𝑚2: 𝐶(€)=1.25·21000·( 𝑆 100)0.71 Por lo que para un área de 65 𝑚2 se obtiene un coste para el intercambiador de 19332€, alto precio debido principalmente a las altas presiones de trabajo y a que para capacidades nominales pequeñas los intercambiadores de carcasa y tubo tienen un alto precio. Además de estos gastos en material, se han tenido en cuenta los siguientes costes asociados al desarrollo del proyecto: - Gastos variables con las tareas de mantenimiento y reparaciones necesarias para ampliar la vida útil de la instalación, estimados en 8.265€. - Gastos de sustitución de material de corta duración que garantiza el funcionamiento técnico de la instalación, estimados en 551 €/año, dando un total durante toda la vida útil del proyecto de 8265€. - Conexiones entre equipos (piping), presupuestándose en un 15% del coste total de equipos: 5445 € - Consultoría (informes técnicos, memorias…), estimado en 20000€. Esta suposición se basa en el hecho de que el precio de un consultor senior es aproximadamente de 120€/h, estimando la realización del proyecto en aproximadamente 1 mes. - Obra de ingeniería: personal encargado de la ejecución en el terreno del proyecto, estimado en 15000€. Todo ello resulta en una cuantía total a invertir de 100536.2 €. Graficamente, el reparto de costes del proyecto puede representarse de la siguiente forma: 104 Figura 6-1. Reparto de los costes del proyecto de recuperación de calor. 6.1.2. Inversión eligible La inversión elegible de un proyecto se refiere a aquellos costes que podrán ser objeto de ayuda con cargo a un programa de subvención. En el caso que nos ocupa, toda la inversión bruta será igual a la inversión elegible ya que toda ella está orientada al ahorro y a la eficiencia energética. 6.1.3. Inversión de referencia Ante la inexistencia de una inversión previa de referencia, esta se considerará nula. 6.2. Coste subvencionable y cuantía de la ayuda a percibir El Instituto para la Diversificación y Ahorro de la Energía establece en el Boletín Oficial del Estado las bases reguladoras de las convocatorias del programa de ayudas para actuaciones de eficiencia energética en PYME y gran empresa del sector industrial, teniendo el IDEA encomendadas las funciones de “analizar, determinar, proponer y ejecutar las medidas necesarias para obtener políticas sectoriales eficaces, fomentar la utilización de nueva tecnología en equipos y proyectos e incentivar el uso de nuevas fuentes de energía, la racionalización del consumo y la reducción de los costes energéticos” [1] Las medidas analizadas en el presente trabajo entran dentro de la tipología de actuaciones acogidas al Programa, puesto que estas actuaciones habrán de conseguir una reducción de las emisiones de dióxido de carbono y del consumo de energía final, mediante la mejora de la eficiencia energética con respecto a su situación de partida y cumplir con las condiciones establecidas por las presentes bases [1]. Dichas actuaciones deberán encuadrar o bien dentro de la implantación de sistemas de gestión energética, o bien mediante la mejora de la tecnología en equipos y procesos industriales, como ocurre en el caso estudiado. 6.2.1. Características de las ayudas y metodología de cálculo La cantidad de las ayudas otorgadas será la menor de las tres siguientes: 1. 30% de toda la inversión elegible del proyecto. 2. La cantidad máxima que se establece para las medidas de eficiencia energética, siendo esta función de la región donde se desarrolla el proyecto y de la tipología de la empresa promotora. En el caso que nos ocupa, en la región de Andalucía, los porcentajes que se aplican sobre el coste subvencionable son los siguientes: 105 Gran empresa Mediana empresa Pequeña empresa 35% 45% 55% Tabla 6-2. Porcentaje a aplicar en la comunidad autónoma de Andalucía sobre le coste subvencionable del proyecto. 3. La cantidad máxima resultante al aplicar el porcentaje de cofinanciación FEDER, dependiente de la CCAA donde radique el proyecto. En este caso se tendrá que considerar también el importe de cualquier otra ayuda cofinanciada con fondos estructurales y de inversión europeos. Como se mencionó anteriormente, los costes elegibles son aquellos que podrán ser objeto de ayuda con cargo a un programa de subvención. En las bases de la convocatoria para las ayudas del IDAE [1], se consideran costes elegibles: - Inversiones necesarias para conseguir una mejora de la eficiencia energética, y que se realicen en la adquisición de bienes o servicios por parte del beneficiario de la ayuda, y que puedan justificarse mediante facturas y justificantes de pago al proveedor. - Todos aquellos costes necesarios para conseguir los objetivos energéticos de la presente convocatoria: costes de dirección facultativa, costes de ejecución de la obra civil, costes de transporte y de asistencia médica, costes necesarios para la legalización de las instalaciones y la obtención de las licencias requeridas en las diferentes fases del proyecto,…. No se incluirán licencias, tasas, impuestos o tributos, ni tampoco el IVA soportado. - No se considerará elegible ningún coste de ejecución de la actuación anterior a la fecha de solicitud de la ayuda. - Si serán consideraros elegibles los costes correspondientes a actuaciones preparatorias de la actuación necesarias para la presentación de la solicitud (memorias técnicas, certificados.) - No se considerarán elegibles las inversiones asociadas a un aumento de capacidad productiva, ni aquellas en nuevas instalaciones de producción industrial. Tampoco serán elegibles las instalaciones vinculadas a la cogeneración. - Si la empresa promotora no es una PYME, no podrá considerar como elegible el coste de la auditoría energética. 6.2.2. Determinación de los ingresos generados por el proyecto Balance de resultados energéticos del proyecto Con respecto a los ahorros, estudiando la situación en la que se planifica la producción para optimizar los ahorros, se pueden obtener los siguientes valores: Energía térmica - Ahorro en el condensador: 6992.69 GJ - Ahorro en el recuperador de calor: 5685.53 GJ - Ahorro de gas natural total = 12678.22 GJ Suponiendo un precio del gas natural en el año de análisis del proyecto, conllevaría un ahorro económico anual de 128303 €/año Por tanto, si se supone una producción anual de 4.200.459 hl de cerveza, el ahorro por hl producido será de 3.02 MJ/hl. 112 donde: - 𝐼0 ≡ inversión inicial - A ≡ ahorro acumulado durante la vida útil - 𝐴𝑗 ≡ ahorro del año j derivado del proyecto - 𝑗 ≡ año de análisis - n ≡ número de periodos de tiempo Por tanto, el periodo de retorno se obtiene igualando el ahorro acumulado a la inversión, calculando el año para el cuál se da esta igualdad. Gráficamente, corresponderá al año en el cuál quede anulado el valor del flujo de caja acumulado, siendo el momento a partir del cuál comienza a ser rentable la inversión. Figura 6-3. Representación del flujo de caja acumulado para el cálculo del periodo de retorno de la inversión. Cabe destacar el periodo de retorno de solamente 2.1 años, debido al gran ahorro que supondría anualmente la medida en términos de consumo en gas natural. Si estos beneficios acumulados durante los 15 años de la vida útil se cuantificaran a día de hoy, el resultado sería de un ahorro total de más de 730 k€, justificando amplianente la renatbilidad de la inversión. 6.3.5. Análisis de sensibilidad Debido a las suposiciones realizadas para la obtención de los cálculos en dicho proyecto, se decide realizar un análisis de sensibilidad de la rentabilidad económica de la inversión para decidir si, aun con cierta incertidumbre, debería llevarse a cabo el proyecto. La primera variable de riesgo que se ha considerado ha sido el precio del gas natural, tan importante en una industria de estas características por los altos consumos anuales que se requieren. Su precio, como se muestra en la siguiente figura, sufre fluctuaciones continuamente, debido a la dependencia de las subastas en el mercado gasístico. 113 Figura 6-4. Evolución del precio del gas natural entre 2008 y 2017 en España. La segunda variable será el coste de la inversión inicial, debido a la dependencia tanto del dimensionamiento de los equipos como de las tarifas de las empresas consultora y constructora que realizaran el proyecto. Así, se realizará un análisis de sensibilidad modificando dichas variables en un rango de +/- 10% con respecto al valor de origen, calculando la TIR para cada nuevo escenario. Empleando la herramienta de Excel creada para el cálculo de los parámetros económicos, se obtiene la siguiente tabla: Precio Gas Natural Inversión -10% -5% 10.12 €/GJ +5% +10% -10% 121% 115% 110% 104% 99% -5% 114% 109% 104% 99% 94% 100 532 € 109% 104% 99% 94% 89% +5% 104% 99% 94% 90% 85% +10% 99% 95% 90% 86% 81% Tabla 6-4. Variación de la TIR en función del precio del gas natural y del coste inicial de la inversión. Como puede observarse, la TIR se modifica en un rango de entre el 81% y el 121%, para los casos extremos en los que tanto el precio del combustible como de la inversión crezcan o se reduzcan en un 10%. Sin embargo, en cualquier caso esta tasa de descuento sigue siendo muy superior al WACC de la empresa, el cuál se recuerda que tiene un valor de un 8.1%, por lo que aunque se produzcan variaciones de precios en alguna de estas variables, ya sea por barajar diferentes consultoras/constructoras, o por incertidumbres futuras del precio del gas natural, merecerá la pena afrontar la inversión. 114 115 7 CONCLUSIONES Una mayor concienciación por el medio ambiente, impulsada entre las empresas mediante normativas europeas de obligado cumplimiento, así como la existencia de un mercado cada vez más globalizado y competitivo, hacen fundamental la implantación de un sistema de gestión energética eficiente en las industrias del gran consumo, tratando de reducir al máximo los costes por unidad de producción. El objetivo principal de este Trabajo de Fin de Máster ha sido desarrollar un proyecto para la mejora de la eficiencia energética y la reducción del consumo de gas natural en una empresa del sector cervecero, demostrando como estas medidas presentan una alta rentabilidad, ya no solo por el alto potencial de ahorro debido a lo intensivas que son estas industrias en consumos energéticos, sino por las subvenciones y ayudas para la financiación tanto por entidades públicas como privadas. • Actualmente, la industria alimentaria consume anualmente en torno al 11% del total de la energía primaria en toda la industria. En concreto, el sector cervecero consume aproximadamente el 40% de este total debido principalmente a las estrictas condiciones de temperatura que deben asegurar todos los controles de calidad en su proceso de fabricación. Por ello, la necesidad de disminuir el conusmo energético mediante medidas de eficiencia energética en este tipo de empresas es fundamental para la reducción de las emisiones de 𝐶𝑂2 y para ser competitivos frente a otros sectores. • El reparto de la energía consumida se da en un 60% energía térmica y un 40% energía eléctrica, siendo el agua sobrecalentada el principal portador de calor en la fábrica, generada en las tres calderas de gas natural que esta misma posee en la zona de Utilities. Además, gran parte del consumo eléctrico, un 35%, se debe a la refrigeración mediante un ciclo de compresión de amoniaco con dos niveles de evaporación. El objetivo de este trabajo ha sido tratar de ‘aprovechar’ indirectamente parte de este consumo eléctrico, disminuyendo la demanda de agua sobrecalentada, y en consecuencia de gas natural, utilizando el calor del amoniaco tras la descarga de los compresores para suplir parte de la demanda de energía que en un principio debería de ser afrontada por el agua sobrecalentada. • Al calcular de manera aproximada el potencial de este calor de descarga de los compresores, se decide emplear el calor sensible en el calentamiento del agua extrablanda que alimenta al generador de vapor de la línea de envasado de barriles, y el calor latente en el calentamiento de agua blanda empleada para la limpieza de los tanques. Tras la definición de las condiciones nominales de funcionamiento, se diseñan los intercambiadores de carcasa y tubos, y de placas respectivamente. • La integración de ambos intercambiadores requiere modificaciones en la propuesta inicial, puesto que ambos se encuentran en la misma línea de recuperación de calor. Al funcionar el recuperador de calor sensible bajo demanda, se decide conectar el lado del agua blanda del condensador a un depósito de agua blanda ya existente en la fábrica, para que funcione como buffer y trate de compensar las diferencias entre ambos intercambiadores en los periodos de demanda. Así, la estrategia será anticiparse a los periodos de baja produccion en la línea de barriles para hacer funcionar al condensador a plena carga, y no bajo demanda como en el resto de los intervalos de tiempo, tratando de almacenar la máxima energía posible en el depósito minimizando el consumo de agua sobrecalentada. 116 • Al diseñar la instrumentación necesaria para el funcionamiento deseado, se simula el circuito diseñado y se calcula un potencial de ahorro de la medida cuando se planifica la producción de 5685GJ en el recuperador de calor sensible y 6992 GJ para el condensador. También se ha demostrado que, aunque no se planifique la produccion, esta medida supondría un ahorro de 6150 GJ para el calentamiento de agua blanda en el condensador, manteniéndose constante el ahorro en el recuperador al funcionar bajo demanda. • Esta disminución del consumo en gas natural se traduce en un ahorro de más de 128k€ al año en energía térmica, sumando una cantidad de casi 3000€ de ahorro en electricidad debido a la disminución del uso de los ventiladores de los condensadores evaporativos que actualmente se emplean en la fábrica para la condensación total del amoniaco. • En los 15 años de vida útil estimados para el proyecto, se obtendría un ahorro estimado de más de 730k€, recuperando la inversión en tan solo 2.1 años desde la puesta en marcha de la medida. Se demuestra además que, en las condiciones de diseño, la Tasa Interna de Retorno del proyecto supera ampliamente la WACC calculada para las condiciones de la empresa, comprobando esta condición incluso para variaciones del precio del combustible y del coste de la inversión inicial, variando la TIR entre el 81 y el 121% cuando se varían estas variables en un rango de un +/- 10%. 117 Referencias [1] Táboas Touceda, F. (2007). Estudio del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción. Universitat Rovira i Virgili. [2] Cerveceros de España (2017). Informe socioeconómico del sector de la cerveza en España 2016. Ministerio de Agricultura y Pesca, Alimentación y Medio Ambiente. [3] Hernández Velasco, D., Escudero Muñoz, A., Jáber Velázquez, R. (2011). Suministro de energía térmica en la industria cervecera, mediante una planta termosolar con CCP. Escuela de Organización Industrial de Madrid. [4] Curvas de Carga y Generación (2014). Universidad Nacional de Tucumán. Disponible en: https://catedras.facet.unt.edu.ar/centraleselectricas/wp-content/uploads/sites/19/2014/10/Curvas-de-Carga-y- Generaci%C3%B3n.pdf [5] Rosero, J., Téllez, S., Prias, O. (2013). Gestión energética integral en procesos industriales. Universidad de La Rioja. [6] Eficiencia energética en la industria. Cómo ahorrar energía a través del Aislamiento Industrial. Isover Saint-Gobain. Disponible en: https://www.isover.es/sites/isover.es/files/assets/documents/eficiencia_energetica_industria.pdf [7] Vargas, P. Intercambiadores tubo y carcaza: análisis térmico. Departamento de Ingeniería Energética, Universidad Nacional Experimental Francisco de Miranda. [8] González Nerga, F. (2008). Determinación experimental del coeficiente de convección y el factor de fricción de un intercambiador de placas. Universidad Carlos III de Madrid. [9] Forbes España. (2016). La industria cervecera en España, en cifras. Disponible en: http://forbes.es/updown/8977/la-industria-cervecera-en-espana-en-cifras/11/. [10] Cerveza LA SAGRA - Cerveza Artesanal Castellana. Louis Pasteur, la 'pasteurización' y la cerveza 'saludable'. Disponible en: https://www.cervezalasagra.es/louis-pasteur-la-pasteurizacion-y-la-cerveza- saludable/. [11] Redsostal (2017). Heineken, responsable y sostenible. Disponible en: http://redsostal.es/industriaagroalimentaria/noticias-2017/heineken--responsable-y-sostenible_805_76_937_0_1_in.html. [12] Statista (2018). Industry prices of natural gas in Spain 2008-2017. Disponible en: https://www.statista.com/statistics/595609/natural-gas-price-spain/. [13] Es.wikipedia.org. (2018). Estrategia energética de la Unión Europea. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Estrategia_energ%C3%A9tica_de_la_Uni%C3%B3n_Europea. [14] Es.wikipedia.org. (2018). Protocolo de Kioto. Disponible en: https://es.wikipedia.org/wiki/Protocolo_de_Kioto. 118 [15] Creara Energy Experts (2018). Fórmulas de financiación de proyectos de Eficiencia Energética. Disponible en: http://www.creara.es/actualidad/financiacion-proyectos-eficiencia-energetica. [16] Abanca (2018). Préstamo para la mejora de la eficiencia energética. Disponible en: https://www.abanca.com/es/empresas/financiacion/plan-activamos/eficiencia-energetica/. [17] Instituto para la Diversificación y el Ahorro de la Energía, IDAE (2018). Segunda convocatoria del programa de ayudas para la rehailitación energética de edificios existentes (Programa Pareer II). Ministerio para la Transición Ecológica. Disponible en: http://www.idae.es/ayudas-y-financiacion/para-rehabilitacion-de- edificios-programa-pareer/segunda-convocatoria-del. [18] Introducción a los servicios energéticos y su situación en Navarra (2012). III Plan Energético de Navarra horizonte 2020, Gobierno de Navarra. Disponible en: https://www.navarra.es/NR/rdonlyres/9F440515-BC1B- 4607-888E-3DAA741E89D3/0/ServiciosEnergeticos.pdf. [19] Ecrowd! (2016). Crowdfunding social: 8 plataformas de crowdfunding para financiar proyectos solidarios. Disponible en: https://www.ecrowdinvest.com/blog/crowdfunding-social-7-plataformas-de-crowdfunding-para- financiar-proyectos-solidarios/. [20] Fassa Ingeniería (2018). Renting para Eficiencia Energética. Disponible en: https://www.fassaingenieria.com/renting-tecnol%C3%B3gico/. [21] Plataforma Española para Financiación de Energía Sostenible, Enerinvest (2017). Guía para la financiación de proyectos de energía sostenible. Disponible en: http://www.f2e.es/uploads/doc/20170801101850.biblioteca_189.pdf. 119 Anexo A “POTENCIA Y ENERGÍA SENSIBLE Y LATENTE CON POSIBILIDAD DE SER RECUPERADA EN LA SITUACIÓN DE PARTIDA” 120 Semana Q sensible (kW) Energia sensible (kWh) Q latente (kW) Energia latente (kWh) Semana 1 2916.134 193472.78 20580.30 1365412.84 Semana 2 2916.134 239240.22 20580.30 1688411.50 Semana 3 2916.134 353433.44 20580.30 2494317.51 Semana 4 2916.134 355243.71 20580.30 2507093.35 Semana 5 2916.134 327364.05 20580.30 2310335.66 Semana 6 2916.134 342578.21 20580.30 2417707.93 Semana 7 2916.134 246689.13 20580.30 1740981.35 Semana 8 2916.134 240698.96 20580.30 1698706.39 Semana 9 2916.134 333217.96 20580.30 2351649.01 Semana 10 2916.134 250748.82 20580.30 1769632.12 Semana 11 2916.134 510814.64 20580.30 3605017.97 Semana 12 2916.134 465293.63 20580.30 3283758.51 Semana 13 2916.134 455298.10 20580.30 3213216.10 Semana 14 2929.159 530762.08 15815.72 2865800.84 Semana 15 2929.159 503641.68 15815.72 2719366.76 Semana 16 2929.159 323979.35 15815.72 1749296.58 Semana 17 2929.159 431852.57 15815.72 2331748.10 Semana 18 2929.159 502400.34 15815.72 2712664.26 Semana 19 2929.159 515238.79 15815.72 2781984.27 Semana 20 2929.159 558193.66 15815.72 3013915.13 Semana 21 2929.159 506931.14 15815.72 2737127.89 Semana 22 2929.159 494332.98 15815.72 2669105.30 Semana 23 2969.551 576799.60 12536.28 2435021.53 Semana 24 2969.551 592169.54 12536.28 2499907.39 Semana 25 2969.551 549605.00 12536.28 2320216.60 Semana 26 2969.551 565415.06 12536.28 2386960.47 Semana 27 2969.551 609070.66 12536.28 2571257.26 Semana 28 2969.551 587022.97 12536.28 2478180.56 Semana 29 2969.551 634480.48 12536.28 2678527.57 Semana 30 2969.551 635153.95 12536.28 2681370.67 Semana 31 2969.551 587099.55 12536.28 2478503.86 Semana 32 2969.551 594584.12 12536.28 2510100.79 Semana 33 2969.551 507198.73 12536.28 2141193.96 121 Semana 34 2969.551 558782.96 12536.28 2358962.34 Semana 35 2969.551 605355.90 12536.28 2555575.01 Semana 36 2969.551 584371.42 12536.28 2466986.77 Semana 37 2969.551 445019.69 12536.28 1878698.47 Semana 38 2969.551 550909.25 12536.28 2325722.61 Semana 39 2969.551 564161.69 12536.28 2381669.23 Semana 40 2929.159 524336.85 15815.72 2831108.41 Semana 41 2929.159 540967.52 15815.72 2920904.19 Semana 42 2929.159 435945.60 15815.72 2353848.03 Semana 43 2929.159 527959.10 15815.72 2850666.43 Semana 44 2929.159 504908.51 15815.72 2726206.86 Semana 45 2916.134 345568.04 20580.30 2438808.30 Semana 46 2916.134 337165.12 20580.30 2379505.67 Semana 47 2916.134 358488.24 20580.30 2529991.21 Semana 48 2916.134 354962.00 20580.30 2505105.19 Semana 49 2916.134 448091.67 20580.30 3162357.53 Semana 50 2916.134 387255.38 20580.30 2733012.12 Semana 51 2916.134 436777.36 20580.30 3082508.08 Semana 52 2916.134 246449.46 20580.30 1739289.91 128 Consumo agua blanda 2016 (m3) Temperatura de entrada (ºC) Temperatura de salida Salto en el intercambiador Demanda de calor (kW) Demanda de calor (kW) semana 01 673 13.53 55.00 41.47 192.88 288.53 semana 02 673 14.03 55.00 40.97 190.58 285.09 semana 03 673 13.59 55.00 41.41 192.63 288.16 semana 04 673 13.39 55.00 41.61 193.55 289.54 semana 05 553 13.44 55.00 41.56 158.78 237.52 semana 06 553 13.49 55.00 41.51 158.58 237.22 semana 07 553 13.78 55.00 41.22 157.47 235.56 semana 08 553 13.20 55.00 41.80 159.70 238.89 semana 09 239 14.14 55.00 40.86 67.44 100.89 semana 10 239 14.01 55.00 40.99 67.65 101.20 semana 11 239 14.54 55.00 40.46 66.77 99.89 semana 12 239 15.02 55.00 39.98 65.99 98.71 semana 13 239 15.22 55.00 39.78 65.66 98.22 semana 14 839 15.65 55.00 39.35 228.02 341.10 semana 15 839 16.50 55.00 38.50 223.13 333.77 semana 16 839 18.06 55.00 36.94 214.09 320.26 semana 17 839 17.50 55.00 37.50 217.34 325.12 semana 18 458 18.58 55.00 36.42 115.17 172.28 semana 19 458 19.71 55.00 35.29 111.60 166.95 semana 20 458 18.81 55.00 36.19 114.44 171.19 semana 21 458 17.20 55.00 37.80 119.55 178.83 semana 22 458 16.91 55.00 38.09 120.45 180.18 semana 23 774 16.92 55.00 38.08 203.79 304.85 semana 24 774 17.24 55.00 37.76 202.04 302.24 semana 25 774 17.45 55.00 37.55 200.92 300.55 semana 26 774 17.10 55.00 37.90 202.81 303.38 semana 27 864 17.17 55.00 37.83 225.89 337.91 semana 28 864 17.77 55.00 37.23 222.29 332.53 semana 29 864 18.55 55.00 36.45 217.66 325.59 semana 30 864 19.14 55.00 35.86 214.16 320.36 semana 31 864 19.41 55.00 35.59 212.53 317.93 semana 32 1 102 20.41 55.00 34.59 263.30 393.87 semana 33 1 102 21.75 55.00 33.25 253.15 378.69 129 semana 34 1 102 21.77 55.00 33.23 252.98 378.44 semana 35 1 102 22.15 55.00 32.85 250.08 374.10 semana 36 1 071 22.31 55.00 32.69 241.83 361.76 semana 37 1 071 20.46 55.00 34.54 255.55 382.28 semana 38 1 071 21.82 55.00 33.18 245.48 367.22 semana 39 1 071 22.03 55.00 32.97 243.95 364.92 semana 40 917 22.03 55.00 32.97 208.89 312.47 semana 41 917 21.77 55.00 33.23 210.57 315.00 semana 42 917 21.30 55.00 33.70 213.52 319.41 semana 43 917 21.32 55.00 33.68 213.38 319.19 semana 44 523 20.45 55.00 34.55 124.79 186.67 semana 45 523 19.47 55.00 35.53 128.33 191.97 semana 46 523 19.01 55.00 35.99 129.99 194.45 semana 47 523 18.38 55.00 36.62 132.25 197.84 semana 48 523 17.94 55.00 37.06 133.87 200.26 semana 49 993 17.20 55.00 37.80 259.40 388.04 semana 50 993 15.96 55.00 39.04 267.97 400.85 semana 51 993 15.54 55.00 39.46 270.83 405.13 semana 52 993 13.91 55.00 41.09 281.97 421.80 130 131 Anexo D “VALORES DE DEMANDAS DE ENERGÍA Y DE HORAS DE FUNCIONAMIENTO PARA RECUPERADOR Y CONDENSADOR EN LA SOLUCIÓN INICIAL. HORAS DE NO SOLAPAMIENTO DE SU FUNCIONAMIENTO” 132 CONDENSADOR RECUPERADOR horas Demanda de energía (GJ) horas funcionamiento Demanda de energía (GJ) horas funcionamiento h rec>h cond h cond>h rec semana 01 114.48 73.96 158.85 98.06 24.10 semana 02 173.85 112.30 157.46 97.20 15.11 semana 03 230.72 149.04 158.70 97.96 51.08 semana 04 213.09 137.66 159.26 98.31 39.35 semana 05 148.28 95.79 130.69 80.67 15.12 semana 06 251.02 162.16 130.56 80.60 81.56 semana 07 138.92 89.74 129.89 80.18 9.56 semana 08 137.96 89.12 131.24 81.01 8.11 semana 09 129.78 83.84 55.76 34.42 49.42 semana 10 180.17 116.39 55.89 34.50 81.89 semana 11 203.42 131.41 55.36 34.17 97.24 semana 12 190.63 123.15 54.88 33.88 89.27 semana 13 205.08 132.48 54.68 33.76 98.73 semana 14 202.50 130.81 190.48 117.58 13.23 semana 15 175.30 113.24 187.52 115.75 2.51 semana 16 117.81 76.10 182.06 112.38 36.28 semana 17 202.46 130.79 184.02 113.59 17.20 semana 18 153.03 98.86 98.35 60.71 38.15 semana 19 137.49 88.82 96.19 59.38 29.44 semana 20 182.08 117.62 97.91 60.44 57.19 semana 21 171.33 110.68 100.99 62.34 48.34 semana 22 177.36 114.57 101.54 62.68 51.89 semana 23 176.80 114.21 171.80 106.05 8.17 semana 24 181.36 117.15 170.74 105.40 11.76 semana 25 164.45 106.23 170.06 104.98 1.26 semana 26 178.90 115.57 171.20 105.68 9.89 semana 27 212.34 137.17 190.79 117.77 19.40 semana 28 186.67 120.59 188.62 116.43 4.16 semana 29 169.10 109.23 185.81 114.70 5.46 semana 30 155.31 100.33 183.69 113.39 13.06 semana 31 131.54 84.98 182.71 112.78 27.81 semana 32 123.68 79.90 228.31 140.93 61.03 semana 33 69.85 45.12 222.17 137.14 92.02 semana 34 74.00 47.80 222.07 137.08 89.28 semana 35 71.36 46.10 220.31 136.00 89.90 semana 36 59.51 38.45 213.38 131.72 93.27 semana 37 82.37 53.21 221.68 136.84 83.63 semana 38 73.87 47.72 215.59 133.08 85.36 133 semana 39 54.44 35.17 214.66 132.51 97.34 semana 40 69.64 44.98 183.81 113.47 68.48 semana 41 74.66 48.23 184.83 114.10 65.87 semana 42 71.14 45.95 186.62 115.20 69.24 semana 43 72.84 47.05 186.53 115.14 68.09 semana 44 92.80 59.95 108.24 66.82 6.86 semana 45 62.69 40.50 110.38 68.14 27.64 semana 46 114.35 73.87 111.39 68.76 5.11 semana 47 134.35 86.79 112.75 69.60 17.18 semana 48 112.26 72.52 113.73 70.21 2.31 semana 49 150.29 97.08 219.15 135.28 38.19 semana 50 161.22 104.15 224.33 138.47 34.33 semana 51 232.83 150.41 226.06 139.54 10.87 semana 52 76.80 49.61 232.80 143.70 94.09 134 135 Anexo E “DEPENDENCIA DEL CONSUMO EN GAS NATURAL Y DEL COSTE DEL CONDENSADOR CON LA CAPACIDAD NOMINAL DEL INTERCAMBIADOR PARA LA OPTIMIZACIÓN DE SU DIMENSIONAMIENTO” 136 Capacidad condensador (kW) Coste Gas Natural (€) Coste intercambiador (€) Total (€) 100 53585 2297 55882 150 45025 3177 48203 200 38259 4000 42259 250 32161 4781 36942 300 26446 5532 31978 350 21522 6258 27780 400 16970 6964 23934 450 13074 7652 20726 500 10680 8325 19005 550 9189 8985 18174 600 7858 9633 17491 650 6708 10270 16978 700 5784 10897 16681 750 4968 11515 16483 780 4544 11871 16415 800 4302 12125 16427 850 3777 12728 16505 900 3458 13323 16781 950 3139 13913 17052 1000 2821 14496 17317 1050 2543 15072 17615 1100 2288 15644 17932 1150 2034 16210 18244 1200 1779 16771 18550 137 Anexo F “VALORES DE DEMANDAS DE ENERGÍA Y DE HORAS DE FUNCIONAMIENTO PARA RECUPERADOR Y CONDENSADOR EN LA SOLUCIÓN OPTIMIZADA. HORAS DE NO SOLAPAMIENTO DE SU FUNCIONAMIENTO”